JP2018529478A - 音響式整形外科的追跡システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

音響エネルギーを使用して身体の整形外科的特徴に関する情報を獲得および提供するシステム、デバイス、および方法が開示される。いくつかの態様では、音響式整形外科的追跡システムは、整形外科的位置情報を取得してこの情報を外科手術のために整形外科手術システムへ送出する携帯型の音響トランスデューサを含む。【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
本特許文献は、2015年10月8日出願の米国仮特許出願第62/239,169号の利益を主張する。前述した特許出願の内容全体が、本出願の開示の一部として参照により組み込まれる。

本特許文献は、診断および治療に音響エネルギーを使用するシステム、デバイス、およびプロセスに関する。

音響撮像は、媒体を通って進む音波の特性を用いて視覚像を表す撮像モダリティである。様々な生物医学分野では、動物および人間の内部構造および機能を見るために、高周波の音響撮像が撮像モダリティとして数十年にわたって使用されてきた。生物医学撮像で使用される高周波の音波は、たとえば1から20MHzの異なる周波数またはさらに高い周波数で動作することができ、多くの場合、超音波と呼ばれる。根本的に、超音波撮像は、一つ以上の音波を伝送する結果、構造から一つ以上のエコーが生じ、これを受信して処理し、画像を形成する水中音波航法測距(SONAR)と同じ原理で動作する。従来の超音波撮像技法を使用した場合、不十分な空間分解能および組織の区別を含むいくつかの要因により、望ましい画像品質に満たない可能性があり、それにより多くの臨床的適用または応用においてその使用が制限される可能性がある。超音波撮像の実時間、非電離、携帯型、および比較的低コストの特徴は、他の撮像モダリティに比べて、生物医学の応用例にとって魅力的である。

音響エネルギーを使用して身体の整形外科的特徴に関する情報を獲得および提供するシステム、デバイス、および方法が開示される。いくつかの態様では、音響式整形外科的追跡システムは、整形外科的位置情報を取得してこの情報を外科手術のために整形外科手術システムへ送出する携帯型音響トランスデューサを含む。

本技術のいくつかの態様では、音響式整形外科的追跡システム(OTS)は、工学的音響アレイおよび支持構造体を含み、音響アレイは、トランスデューサ構造体および関心身体部分に関係するため、音響結合媒体を提供する。たとえば、音響アレイ構造体の複数の超音波トランスデューサは、骨の形状、位置、および動きを実時間で追跡するために使用される超音波を伝送および受信する。受信した超音波エコーは、骨の6自由度(6DoF)位置座標を推定するために処理され、いくつかの実施では、この6DoF位置座標を3D断層撮像情報と組み合わせることができる。音響OTSによって提供される情報は、治療計画、医療処置、外科的処置、完全に自動化された手術、ロボット支援手術、および生体認証に使用することができる。

いくつかの態様では、整形外科的追跡方法は、複数の超音波トランスデューサから超音波パルスを、たとえば連続して一度に一つずつ、同時に、または時間差もしくは時間遅延パターンで伝送することを含む。各伝送に伴って、単一の伝送に対応する一つ以上のトランスデューサ素子上で音響エコーを受信する。受信したエコーは、ナイキストのサンプリング定理によって規定されるように、軟組織および骨からのこれらのエコーに対応するすべての関連スペクトル情報を保持するのに十分に増幅され、フィルタリングされ、時間的にサンプリングされる。受信したエコーは、デジタルでサンプリングされ、処理のために記憶される。いくつかの実施形態では、使用される波形は、周波数および深さ依存減衰、電子ノイズ、隣接するチャネル間のクロストーク、ならびに音響的反響などの有害な要因に対して非常に頑強な波形であるスペクトル拡散波形を含む。骨の反射の鏡面の性質のため、組織と骨の境界面からのエコーは、軟組織および骨自体の中からのエコーに比べて、異なる特定可能なエコーサインを呈する。すべての骨、たとえば大腿骨および脛骨は、骨の長さにわたって固有の横断面パターンを有する。骨の一つ以上の点でサンプリングされた骨からの鏡面の音響エコーパターンを、アレイ幾何形状に応じてサンプリングされたパターンのライブラリに整合させて、骨のトポグラフィを判定し、したがって、空間内の固定点に対するトランスデューサの位置に応じて、6DoF座標空間内の骨の向きを推定する。受信した無線周波(RF)エコー内に存在する振幅および位相情報に信号処理を適用して、パターン整合を判定し、追跡されている骨の6DoF座標を識別し、各トランスデューサの軸に沿った組織および骨の速度および加速度の推定値ならびにこのパターン整合に関連するパラメータを識別し、識別された6DoF座標の不確実性の推定値を識別する。

いくつかの応用例では、たとえば、本技術を使用して、それだけに限定されるものではないが、全膝関節形成術(TKA)および全膝関節置換(TKR)を含む膝のコンピュータ支援手術(CAS)中に、脚の脛骨および大腿骨を追跡することができる。現在の現況技術のTKAおよびTKR処置では、外部の光学追跡装置を使用して脛骨と大腿骨の両方を厳密に追跡するために、両方の骨に位置合わせ棒を手術的に配置する必要がある。たとえば、位置合わせ棒を配置するために、皮膚に小さい切開が行われ、骨の中に孔が開けられ、この孔の中に棒がねじ込まれる。この処置は侵襲的であり、皮膚に醜い瘢痕を残す。この処置は場合により、特に高齢の患者の場合、骨の完全性を損なう。これは感染を起こしやすい箇所であり、手術後の合併症を招く可能性がある。開示する技術は、この侵襲的な追跡を非侵襲的な追跡に置き換えると考えられる。

音響撮像データを獲得するために使用される音響トランスデューサアレイおよび支持構造体を含む本技術の例示的な音響式整形外科的追跡システム(OTS)の図である。 例示的な音響OTSの画像を示す図である。 外部デバイスまたはシステムとともに実施される音響OTSの例示的な実施形態のブロック図である。 データ処理ユニットの例示的な実施形態のブロック図である。 例示的な合成開口超音波/音響(SAU)システムを示す図である。 本技術の例示的な音響トランスデューサアレイ構造体の概略的な上面図、側面図、および横断面図である。 本技術の例示的な音響トランスデューサアレイ構造体の概略的な横断面図である。 音響信号の伝送および受信のために受信体とインターフェース接続される音響カプラを含む例示的な音響トランスデューサアレイ構造体の図である。 被検体の大腿骨に取り付けられた音響OTS100の様々な3次元図である。 図3Aに示す構成要素の別の図である。 片脚にトランスデューサの二つのアレイを用いる開示するシステムの一部分の3次元図である。 被検体に対する例示的な音響OTS100および音響カプラ112を描く3次元分解図である。 例示的な音響OTSに対する1組の特定の制約に使用することができる素子直径および中心周波数を調査するためのトレードスタディ図である。 例示的な断層撮影アレイの上面図である。 特有のパラメータを有する例示的な断層撮影アレイの上面図である。 図5Bの断層撮影アレイの側面図である。 図5Bの断層撮影アレイの等角図である。 連続する素子群上で伝送が可能にされる例示的な断層撮影アレイを示す図である。 ビームの焦点が、連続するアレイ素子が及ぶ弧の長さおよび角度によって形成される扇形の範囲内にある、例示的な断層撮影アレイを示す図である。 図5Fの断層撮影アレイ内の第2のビーム伝送を示す図である。 受信開口が、伝送開口に対して中心またはほぼ中心に位置決めされた一つ以上の素子を含む、断層撮影アレイ例示的な構成を示す図である。 二つの焦点に対して1のF数が維持される、断層撮影アレイの例示的な構成を示す図である。 複数の伝送が時間差で行われる、断層撮影アレイの例示的な構成を示す図である。 図5Jの構成に関連する伝送および受信信号の例示的なシーケンスを時間の関数として示す図である。 伝送開口の位相中心から90度から-90度離れたアレイ素子上で一つ以上の受信が行われる、断層撮影アレイの例示的な構成を示す図である。 水中に懸濁させたヒト大腿骨からの鏡面エコーサインを示す図である。 超音波エコーの鏡面成分に整合するパターンおよび整合しないパターンを示す鏡面エコーサインの図である。 ヒト大腿骨に対する例示的な放射状パターンを示す図である。 ヒト大腿骨に対する放射状パターンの別の図である。 ヒト脛骨に対する例示的な放射状パターンを示す図である。 大腿骨に対する外周または周囲を長さの関数として示す図である。 脛骨に対する外周または周囲を長さの関数として示す図である。 骨を含む軟組織を通ってエコーを伝送および受信する二つのトランスデューサの簡単な構成を示す図である。 各トランスデューサもしくはビームまたは1群のトランスデューサもしくは1群のビームに関連する例示的な目的関数を示す図である。 音響OTSシステムが第3者手術ナビゲーションシステム(3PSNS)と一体化されている、例示的なシステムを示す図である。 患者の骨の座標系と、OTS超音波トランスデューサアレイの座標系と、3PSNS光学アレイの座標系との間の関係を示す図である。 図10Aに類似しているが未来時間t=Tにおける超音波アレイの変位を示す骨追跡座標系を示す図である。 OTSに対する例示的なハードウェアブロック図である。 例示的なOTSソフトウェアアーキテクチャのブロック図である。 時間Tにおける大腿骨の6自由度(6DoF)座標系を示す図である。

音響撮像は、組織を含む生物媒体などの物理的弾性媒体内に音響波形(たとえば、パルス)を放出することによって実行することができる。音響波形は、トランスデューサ素子(たとえば、トランスデューサ素子のアレイ)から関心標的体積(VOI)の方へ伝送される。媒体内における標的体積への音響波形の伝搬は、構造に当たることがあり、それによりこの音響波形は、二つの媒体(たとえば、異なる生物組織構造)間の境界から部分的に反射され、部分的に伝送される。伝送された音響波形の反射は、二つの媒体間(たとえば、二つの異なる生物組織タイプ間の境界面)の音響インピーダンスの差に依存する可能性がある。たとえば、伝送された音響波形の音響エネルギーの一部は、境界面でトランスデューサへ後方散乱され、これを受信して情報を抽出するように処理することができ、残りは次の媒体へ進むことができる。いくつかの例では、反射の散乱は、反射媒体内に含まれる二つ以上のインピーダンスが散乱中心として作用する結果として生じることがある。加えて、たとえば、音響エネルギーは、媒体の特性および/または音波の性質に基づいて、屈折、回折、遅延、および/または減衰させることができる。

音響撮像システムトランスデューサは、圧電素子のアレイを用いて、標的VOI(たとえば、標的生物組織)の方へ音響パルスを伝送し、その中の散乱構造から戻る戻り音響信号(エコー)を受信することができる。そのようなシステムでは、トランスデューサアレイは、撮像システムの開口として機能する。音響波形(たとえば、超音波パルス)を、平面または体積にわたって電子的にステアリングおよび集束させることができ、これらの音響波形を使用して、戻りエコーの1D、2D、および/または3Dマップを作成することができ、このマップを使用して、標的の画像を形成する。ビーム形成は、伝送と受信の両方で行うことができる。たとえば、伝送の際、ビーム形成は、チャネル間の位相差を利用してビームを形成、集束、およびステアリングすることを含むことができる。いくつかの実施では、トランスデューサアレイで伝送および受信される超音波パルスおよび戻りエコーは、フェーズドアレイとして作用するように、アレイの各トランスデューサで時間的に個別に遅延させることができる。

たとえば、音波速度および音響インピーダンスの差は、音響波形が標的体積の方へ伝搬するため、トランスデューサと、音響波形を受信する媒体との間の境界面に存在する可能性がある。この媒体は、たとえば受信媒体と呼ばれる。これらの差は、音響信号の伝送および戻りエコーの受信を乱し、結果の品質または音響撮像、レンジドップラ測定、もしくは治療的応用を実行する能力を低下させる。音響インピーダンスの差は、二つの媒体の材料特性(たとえば、材料密度)および音波速度が異なることによって引き起こされ、それにより、放出された音響エネルギーの相当量が、境界面を横切って完全に伝送されるのではなく、境界面で反射される。

従来の実開口超音波撮像システムでは、画像の品質は、超音波システムのトランスデューサによって生成される音場に直接依存し、画像は、典型的には、一度に一つの軸方向画像線で連続して獲得される(すなわち、標的区域範囲がスライスごとに走査される)。これにより、撮像中のフレームレートに制限が加えられ、これは、たとえば動いている標的の撮像を含む様々な実時間超音波撮像の応用例において、有害になる可能性がある。

従来の実開口超音波撮像に伴う制限に対処するため、合成開口超音波撮像を使用して、超音波画像の品質を改善することができる。「合成開口」とは、一つ以上のより小さい実開口(小開口)を連続して使用してVOIを調査し、これらの開口の位相中心を、特定または任意の形状の既知の1次元(1D)、2次元(2D)、および/または3次元(3D)の経路に沿って動かし、画像を獲得するためのより大きい実質上の(本物でない)開口を実現するという概念である。合成開口は、電気音響トランスデューサ(たとえば、トランスデューサアレイ)の空間位置を連続するビーム伝送および/もしくは受信位置へ機械的に変えること、電気音響トランスデューサアレイ上の連続するビーム伝送および/もしくは受信位置の位相中心を電子的に変えること、または上記の組合せによって形成することができる。当初、合成開口に基づく撮像は、レーダシステムにおいて、航空機から地上の広い区域を撮像し、関心区域を上から走査するために使用されていた。超音波撮像における合成開口による集束は、超音波伝送素子からVOI位置までの幾何学的な距離およびその位置から超音波受信素子に戻るまでの距離に基づいて行われる。超音波撮像では、合成開口を使用することで、すべての方向からの複数の伝送器および受信器位置のそれぞれに記録されている戻りエコー(たとえば、モノスタティックおよびバイスタティックエコー)の受信した振幅および位相データを分析し、区域全体に関する情報を提供することによって、標的領域内の1点での集束が可能になる。戻りエコーの方向は、一つの受信器チャネル単独では判定することができないため、多くの受信器チャネルを使用して、戻ってくるエコー内に含まれる情報を判定し、チャネルのいくつかまたはすべてにわたってこれらのエコーを処理して、最終的に標的領域の画像を作成するために使用される情報を表す。

音響整形外科的追跡のための開示するシステム、デバイス、および方法はまた、合成開口音響撮像および/またはレンジドップラ測定のための技法を含むことができる。いくつかの実施では、開示する技術は、合成開口超音波(SAU)の応用例において、コヒーレントでスペクトル拡散式の瞬時広帯域のコード化波形を生成、伝送、受信、および処理するように設計されたアーキテクチャを含む。コヒーレントでスペクトル拡散式の瞬時広帯域のコード化波形の生成、伝送、およびデータ処理ならびに合成開口超音波に関する例は、本特許文献の一部として参照により組み込まれている、米国特許第8,939,909号および米国特許出願公開第2015/0080725号に記載されている。

たとえば、SAUシステムの実施においてコヒーレント波形を使用することで、エコーの戻りの一部分または全体と、たとえば伝送された波形などの選択された基準信号との複雑な相関を可能にすることができる。そのようなコヒーレントの複雑な相関により、干渉の存在下で、より低い信号対ノイズ比で、画像および信号アーチファクトを低減し、データを抽出することが可能になる。

SAUシステムの実施において、スペクトル拡散信号を使用することで、作為的かつ明示的な振幅および位相周波数成分を有する音響波形の確定的設計を可能にすることができる。たとえば、スペクトル拡散の各周波数成分の振幅および/または位相を明示的に定義することによって、合成音響波形を構築することができ、それにより、信号および情報処理技法を用いて、たとえば数学的限界に近い極大量の情報をエコーの戻りから抽出することができる。

SAUシステムの実施において、瞬時コヒーレントで広帯域のスペクトル拡散式のコード化波形を使用することで、各伝送-受信間隔中にすべての利用可能な情報を捕捉することを可能にすることができ、たとえばそれによって、生きている生物試料の不均質な動的性質および収集プロセスの運動に誘起されるアーチファクトによる戻り信号の破損を最小にすることができる。加えて、開示する技術の信号および情報処理方法を使用してVOI内の組織の区別および分類を可能にすることによって、たとえば基本的物理パラメータ(たとえば、体積弾性率、密度、減衰、音響インピーダンス、振幅反射、群遅延など)を抽出することができる。たとえば、開示するSAU技術のいくつかの信号および情報処理方法は、VOI内の組織を区別および/または分類するために受信した周波数および角度依存の広帯域でスペクトル拡散式の合成開口受信信号エコー上で働く逆数学的技法、ならびにエキスパートシステム技法、たとえば決定論的なサポートベクタネットワーク(support vector network)およびニューラルネットワーク(neural network)技法を含むことができる。

開示するSAUシステムの実施における波形の各周波数成分の明示的な振幅および/または位相のコード化は、複数の利益を提供することができる。たとえば、振幅のコード化により、トランスデューサアレイおよび音響伝搬チャネルの周波数分散特性の明示的補償が可能になる。各周波数成分の振幅および/または位相のコード化は、広瞬時波形の決定論的なビーム形成およびステアリングを可能にする。例示的な伝送信号の各周波数成分の明示的な振幅および位相のコード化は、ピーク対平均値パワー比(PAPR)の最小化、および広い帯域にわたる音響パワーの拡散を可能にし、たとえば有害な生物学的作用を最小にする。たとえば、スペクトル拡散信号の各周波数成分の振幅および/または位相を明示的に定義することによって、同時に伝送することができる波形を構築することができ、これらの波形は、互いに対して最小の干渉を呈し、それにより、信号および情報処理技法を用いて、各個別伝送波形に関連する受信信号を回復することができる。さらに、開示するSAU技術のコード化されたスペクトル拡散音響波形は、これらの波形の特定の不明瞭特性による運動補償を可能にすることができる。

音響エネルギーを使用して身体の整形外科的特徴に関する情報を獲得および提供するシステム、デバイス、および方法が開示される。いくつかの態様では、音響式整形外科的追跡システムは、被検体の身体部分に適合して整形外科的位置情報を取得する音響トランスデューサアレイと、骨の形状、位置、および動き情報を識別するデータセットを生成して、たとえば診断的または治療的応用のために外部デバイスに情報を実時間で送出する、たとえば外科手術用の整形外科手術システムなどの信号およびデータ処理ユニットとを含む携帯型デバイスを含む。

開示する実施形態について、根本的な概念の理解を容易にするために、主に本技術の音響追跡システムを使用して整形外科的な解剖学的構造を追跡することに関して本明細書に説明するが、開示する実施形態はまた、そこから鏡面情報を取得することができる他の解剖学的または非解剖学的構造の追跡を含むことができ、そのような構造は、それだけに限定されるものではないが、身体、体壁、または臓器(たとえば、腎臓、膀胱など)の柔軟な領域を含むことができることが理解される。

開示する音響OTSの例示的な実施形態
図1Aおよび図1Bは、例示的な音響式整形外科的追跡システム(OTS)100の図および画像をそれぞれ示す。音響OTS100は、「構造体」とも呼ばれる音響トランスデューサアレイおよび支持構造体110を含み、この構造体は、腕もしくは下肢、頭部、頸部、胸部、胴、または他の身体部分を含む使用者の身体に適合するように構成されており、音響撮像データを獲得するために、たとえば音響画像を作成するために、レンジドップラ測定を行うために、および/または外科手術に作用する整形外科手術システムなどの治療システム内へ送出するために、音響OTS100によって使用される。音響OTS100は、音響トランスデューサアレイ構造体110と信号生成および処理デバイス140(図1Cに示す)との間のインターフェースを提供するための信号インターフェースモジュール120を含む。信号インターフェースモジュール120は、信号生成および処理デバイス140による信号の伝送および受信のためにアレイの音響トランスデューサ素子によって伝送および受信される電気信号の増幅、多重化、アナログ-デジタル(A/D)変換、および/またはデジタル-アナログ(D/A)変換、またはその他の方法による調整を行うための信号処理回路および構成要素を含むことができる。

信号生成および処理デバイス140は、図1Cのブロック図に示すように、伝送および受信用電子機器ユニット142およびデータ処理ユニット144を含む。本技術の(生成および処理デバイス140の)伝送および受信用電子機器ユニット142のいくつかの例は、本特許文献に参照により組み込まれている、国際(PCT)出願公開第WO2016/149427号に記載されている。一例には、上記のPCT公開の図1に示す合成開口超音波/音響(SAU)システム100(本文献に図1Eとして再現する)が含まれ、SAUシステム100は、伝送/受信用電子機器モジュール(TREM)110Eを含み、TREM110Eは、音響プローブデバイス120E、およびTREM110Eまたは外部コンピュータデバイス130E上に常駐するデータ処理ユニットと電気的に通信する。TREM110Eは、個別の生成されたコード化波形に基づいて一つ以上の合成波形(たとえば、コヒーレントでスペクトル拡散式の瞬時広帯域のコード化された波形)を伝送および受信するためにプローブデバイスへ伝達される個別コード化波形を複数のチャネル上に生成するように構成される。音響OTS100の実施では、プローブデバイスは、音響トランスデューサアレイ構造体110を含むことができる。TREM110Eは、関数生成器および任意の波形生成器(AWG)を含む波形生成ユニットを含む。TREM110Eは、個別コード化波形の合成のために波形生成ユニットを制御するシステム制御ユニットを含む。TREMは、信号を増幅、選択、および/またはアナログ-デジタル変換する信号調整および処理回路を含み、この回路は、たとえば、アナログ/デジタル変換器、マルチプレクサ、増幅器などを含むことができる。TREM110Eは、たとえば、波形合成もしくはプローブ制御に関する実行可能命令、および/または獲得もしくは処理したデータなどのデータを、コンピュータ130Eの中央処理装置(CPU)によって伝達するように構成されたデータ処理ユニット(たとえば、プロセッサまたはマイクロコントローラ、およびメモリ)を含む。

図1Aを再び参照すると、音響OTS100は、音響トランスデューサアレイ構造体110および信号インターフェースモジュール120と通信して構造体110とモジュール120との間でデータ通信を提供する(たとえば、電気信号を伝達する)コネクタ130(たとえば、ケーブル)を含む。コネクタ130のいくつかの実施では、たとえば、コネクタ130は、歪緩和されており、汚染物質の侵入を防止するために一つ以上のシールによって構造体110に連結されるように取付け可能および取外し可能な終端を含む。いくつかの実施形態では、たとえば、コネクタ130の外装材は、滅菌を可能にするために、オートクレーブ処理可能な材料から構成することができる。いくつかの実施形態では、たとえば、コネクタ130は、構造体110に恒久的に取り付けることができ、構造体110は、たとえば、外装上にオートクレーブ処理可能な材料を含むことができ、または廃棄に適合している材料(たとえば、1回限りの使用向け)から構成することができる。

図1Cは、たとえば外科手術用の整形外科手術システムなどの外部デバイスまたはシステム150とともに実施することができる本技術のシステムの例示的な実施形態のブロック図を示す。このシステムは、音響OTS100および信号生成および処理デバイス140を含む。音響トランスデューサアレイ構造体110は、たとえば双方向アナログおよび/またはデジタル信号線を通して、信号生成および処理デバイス140の伝送および受信用電子機器ユニット142に接続される(たとえば、信号インターフェースモジュール120を介して)。伝送および受信用電子機器ユニット142は、それだけに限定されるものではないが、パワー増幅器、RF増幅器、可変利得増幅器、ダイプレクサ、マルチプレクサ、デジタル-アナログ変換器、アナログ-デジタル変換器、ASIC、FPGA、DSP、RF変圧器、アナログフィルタ、デジタルフィルタ、イーサネット(登録商標)回路、PCI回路、デジタルバッファ、RAM、不揮発性メモリ、通信構成要素、および電源電子機器を含む回路および電子構成要素を含むことができる。伝送および受信用電子機器ユニット142は、信号生成および処理デバイス140のデータ処理ユニット144と通信して、デバイス140のデータを処理および記憶する。

デバイス140のいくつかの実施形態では、データ処理ユニット144は、一つ以上のコンピュータ(たとえば、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、インターネットを介して(たとえば、「クラウド」内で)互いにデータ通信するコンピュータデバイスのネットワーク、またはそれだけに限定されるものではないが、スマートフォン、タブレット、もしくはウェアラブル演算/通信デバイスを含む他の演算デバイス)上に常駐することができる。デバイス140のいくつかの実施形態では、データ処理ユニット144は、伝送および受信用電子機器ユニット142を含むデバイス構造(たとえば、ハウジング)内に常駐することができる。伝送および受信用電子機器ユニット142は、たとえば、それだけに限定されるものではないが、USB、ファイアワイア、イーサネット(登録商標)、PCI、IEEE 1394シリアル、Wi-Fi、ファイバーチャネル、光ファイバー、無線バス、シリアルバス、またはパラレルバスを含む任意のインターフェースまたは1群のインターフェースとすることができるデジタルインターフェースを介して、データ処理ユニット144と通信する。

データ処理ユニット144は、それだけに限定されるものではないが、以下の構成要素、たとえば一つ以上のプロセッサ、シリアルプロセッサ、パラレルプロセッサ、数値演算コプロセッサ、汎用グラフィック処理ユニット(GPU)、FPGA、ASICS、DSP、不揮発性メモリ、RAM、デジタルバッファ、記憶デバイス、ハードドライブ、USB、ファイアワイア、イーサネット(登録商標)、PCI、IEEE 1394シリアル、Wi-Fi、ファイバーチャネル、光ファイバー、無線バス、シリアルバス、外部ディスプレイアダプタ、外部ディスプレイドライバ、パラレルバス、通信構成要素、および電源電子機器を含むことができるプログラマブル処理ユニットおよび記憶デバイスを含むことができる。いくつかの実施形態では、たとえば、デバイス140はまた、たとえば視覚、音声、または触覚の出力の組合せをもたらすためのモニタ、スピーカ、または他のデバイスなどの表示デバイス148を含むことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、表示デバイス148は、データ処理ユニット144がたとえば単一のユニット内でコンピュータ上に常駐するとき、データ処理ユニット144とともに組み込むことができ、または外部ディスプレイへのケーブル配線を通じて別個にすることができる。

データ処理ユニット144は、音響OTS100からの獲得した音響データを処理して、たとえば特徴および全体的な骨の骨形状、密度、位置、姿勢、および/または構造的な動きなどの生物学的情報および位置情報を含む、被検体の整形外科的構造(たとえば、骨)または特徴のデータセットを生成するように構成される。データ処理ユニット144は、生成したデータセットを外部デバイス150へ提供することができる。たとえば、いくつかの実施では、システムは、データセットを生成し、この情報を診断的または治療的応用のために外部デバイス150へ実時間で提供する。

図1Dは、データ処理ユニット144の例示的な実施形態のブロック図を示す。この例では、データ処理ユニット144は、データを処理するプロセッサ182と、プロセッサ182と通信してデータを記憶するメモリ184とを含む。たとえば、プロセッサ182は、中央処理装置(CPU)またはマイクロコントローラユニット(MCU)を含むことができる。たとえば、メモリ184は、プロセッサ実行可能コードを含むことができ、このコードは、プロセッサ182によって実行されたとき、情報、命令、および/またはデータの受信、情報およびデータの処理、ならびに別の実体(たとえば、外部デバイス150)への情報/データの伝送または提供などの様々な動作を実行するようにデータ処理ユニット144を構成する。データ処理ユニット144の様々な機能に対応するために、メモリ184は、プロセッサ182によって処理または参照される命令、ソフトウェア、値、画像、および他のデータなどの他の情報およびデータを記憶することができる。様々なタイプのランダムアクセスメモリ(RAM)デバイス、読出し専用メモリ(ROM)デバイス、フラッシュメモリデバイス、および他の好適な記憶媒体を使用して、メモリ184の記憶機能を実施することができる。メモリ184は、デバイス140のデータ処理ユニット144および他のユニットのデータおよび情報を記憶することができる。たとえば、メモリ184は、デバイス140上で動作するデバイスユニットパラメータおよびハードウェアの制約、ならびにソフトウェアパラメータおよびプログラムを記憶することができる。この例では、データ処理ユニット144は、デバイス140の他のユニットへのデータ処理ユニット144の通信接続可能性を可能にすることができるI/Oユニット186を含む。たとえば、I/Oユニット186は、たとえばそれだけに限定されるものではないが、ユニバーサルシリアルバス(USB)、IEEE 1394(ファイアワイア)、ブルートゥース(登録商標)、IEEE 802.111、無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)、無線パーソナルエリアネットワーク(WPAN)、無線ワイドエリアネットワーク(WWAN)、WiMAX、IEEE 802.16(ワイマックス(Worldwide Interoperability for Microwave Access)(WiMAX))、3G/4G/LTEセルラー通信方法、およびパラレルインターフェースを含む典型的なデータ通信規格に適合している様々なタイプの有線または無線インターフェースを使用して、他のデバイスまたはシステムと通信するデータ処理ユニット144を提供することができる。I/Oユニット186はまた、外部インターフェース(たとえば、外部デバイス150)、データ記憶源、または表示デバイス(たとえば、表示デバイス148)へのデータ処理ユニット144の通信接続可能性を提供することができる。データ処理ユニット144のI/Oユニット182はまた、プロセッサ182によって処理し、メモリ184内に記憶し、またはデバイス140の出力ユニット(たとえば、表示デバイス148)上に提示することができるデータおよび情報を検索および伝達するために、他の外部インターフェース、データ記憶源、および/または視覚もしくは音声表示デバイスなどとインターフェース接続することができる。

図1Cを再び参照すると、いくつかの実施形態では、システムは、身体部分の整形外科的構造の位置座標、姿勢、ならびに他の位置および運動情報を6DoFで判定するために使用されるデータをデータ処理ユニット144へ提供する位置追跡デバイス146を含む。データ処理ユニット144は、たとえばデジタルインターフェースによって構成することができる位置追跡デバイス146と通信する。位置追跡デバイス146は、たとえば構造体110内に配置された個別のアレイ素子111の位置データを含む音響OTS100の音響トランスデューサアレイ構造体110の位置を追跡するように動作可能である。いくつかの実施では、たとえば、位置追跡デバイス146は、デバイス146の非接触センサを用いることによって音響トランスデューサアレイ構造体110の位置を測定し、構造体110および/または構造体110が取り付けられた身体部分のデータを取得することができる。位置追跡デバイス146のセンサの例は、それだけに限定されるものではないが、光センサ(たとえば、ビデオカメラ、CCD、LEDなど)、磁気センサ(たとえば、磁力計、ホール効果センサ、MEMベースの磁界センサなど)、変化量センサ(たとえば、ジャイロセンサ、加速度計など)、および/もしくは電磁、無線周波、および/もしくはマイクロ波センサ、または他の検出器を含むことができる。位置追跡デバイス146は、処理された座標情報または生センサデータをデータ処理ユニット144に提供するように構成され、データ処理ユニット144は、このデータを処理して、構造体111および/または身体部分の座標情報を生成する。データ処理ユニット144は、音響OTS100から取得した受信音響エコーによって座標情報を処理し、骨位置の6DoF座標推定値、誤差推定値、音響画像、および被検体の整形外科的特徴の他の関連パラメータを、たとえば1kHz以上の更新速度で生成するように動作可能である。データ処理された6DoF骨座標、姿勢、および/または他の情報(たとえば、特有の応用例に関連)は、外部デバイス150が使用するために、デバイス140のデータ処理ユニット144によって外部デバイス150へ通信することができる。

位置追跡デバイス146の一例は、たとえばストライカー(Stryker)NAV3iプラットフォームなどのストライカーサージカルナビゲーションシステム(SNS)を含むことができる。ストライカーNAV3iプラットフォームは、デジタルカメラ技術、位置データ処理デバイス、および実時間の追跡ための複数の視覚表示モニタを含む。たとえば、ストライカーNAV3iプラットフォームは、たとえば、様々な処置および手法に対応するために、広い運動範囲にわたって撮像する一つ以上のカメラ(たとえば、内蔵LiveCam)を有するナビゲーションカメラアームを含む。たとえば、ストライカーNAV3iプラットフォームのデータ処理デバイスは、産業用コンピュータ(たとえば、最上位の処理速度およびRAMを有する)と、タッチ能力付きのIOタブレットユーザインターフェースとを含み、IOタブレットユーザインターフェースは、たとえば無線統合(たとえば、病院ネットワーク内への平滑な統合のためのDICOMクエリ/レトリーブおよびDICOMクライアント機能)、およびたとえばデバイス140のデータ処理ユニット144などの他のデータ処理デバイスへの様々なI/O出力(たとえば、HDMI(登録商標)など)を有する。

図2Aは、例示的な音響トランスデューサアレイ構造体110の概略図を示し、この構造体の上面図、側面図、および横断面図を示す。音響トランスデューサアレイ構造体110は、トランスデューサ素子のアレイと、音響トランスデューサアレイ構造体110が適用されるものとの間で音響信号を伝送および受信するようにトランスデューサ素子111を収容および位置決めするハウジング本体119とを含む。ハウジング本体119は、音響伝送および/または受信用トランスデューサアレイのトランスデューサ素子111が位置決めされる湾曲区分を含み、ハウジング本体119の湾曲区分は、音響撮像、測定、または他の実施で構造体110が適用される特定の身体領域または部分に合わせた様々なサイズおよび/または曲率に構成することができる。たとえば、湾曲したハウジング本体119の長さ、深さ、および弧は、たとえば人間または動物(たとえば、犬)の被検体の胸部、腕、脚、頸部、咽喉、膝関節、股関節、足首、腰部、肩、または他の解剖学的構造などの解剖学的構造上の関心領域に完全に接触して、脾臓、癌性または非癌性の腫瘍、損傷、捻挫、断裂、骨輪郭、および損傷または疾患の他の徴候などのそのような構造内の標的体積を撮像しまたは超音波治療を施すように構成することができる。

図2Bは、音響信号の伝送および受信のために受信体とインターフェース接続される音響カプラ112に連結された音響トランスデューサアレイ構造体110の図を示す。音響カプラ112は、音響トランスデューサアレイ構造体110のトランスデューサ素子111に連結されて、構造体110と受信体(たとえば、被検体の身体部分)との間の音響信号伝送インターフェースを形成する。トランスデューサ素子111は、可撓ブラケット118を介してハウジング本体119に取り付けられる。音響カプラ112は、この図に示すように、トランスデューサ素子111の面上へ直接共形となることが可能である。この例では、音響カプラ112は、可撓ブラケット118のクリップ構成要素に、クリップの外面上の接着剤113によって取り付けられ、たとえば、音響カプラ112のヒドロゲルおよび/または外側ライニングの「粘着性の領域」に接触するように位置合わせされる。クリップは、ハウジング本体119のリップの周りに取り付けられて、音響カプラ112とトランスデューサ素子111の面111Bとの間に直接接触を提供するように構成される。トランスデューサ素子111は、電気と音響エネルギーとの間の変換のために電気通信素子とインターフェース接続されるトランスデューサ音響バッキング部分111Aを含むことができる。

図3Aから3Dは、骨のトポグラフィ、空間内の骨の姿勢、または患者の下肢の他の解剖学的パラメータを判定するために患者の脚の周りに付けられた例示的な音響OTSまたは複数の音響OTSを描く図を示す。図3Aおよび図3Bは、診断および/または治療処置中であろう被検体の大腿骨に取り付けられた音響OTS100の様々な3次元図を示す。図3Cは、片脚にトランスデューサの二つのアレイを用いる開示するシステムの一部分の3D図を示し、脛骨の追跡用および大腿骨の追跡用の二つの音響トランスデューサアレイ構造体110を脚に取り付けることを含む。図3Dは、被検体に対する例示的な音響OTS100および音響カプラ112を描く3D分解図を示す。

音響トランスデューサアレイ構造体110、信号生成および処理デバイス140、および/または位置追跡デバイス146を含む開示するシステムの例示的な特徴について、本技術の様々な実施形態および実施に関してさらに説明する。

音響トランスデューサアレイ構造体110は、フレームまたはハウジング本体119(たとえば、図2Bに示す)に取り付けられた超音波トランスデューサを含み、一つ以上の骨を含む身体部分を完全または部分的に取り囲むように構成される。構造体110は、たとえば円または楕円の形状のように、湾曲またはほぼ湾曲するように構成することができる。この湾曲した構造体は、たとえば身体部分の周りを120または270度覆うように開くことができる。開口は、身体の特有の領域にアクセスするため、たとえば寛骨にアクセスするための有用性を提供することができる。いくつかの実施形態では、たとえば、構造体110は、円形であり、骨の周りを360度覆う。構造体110は、可撓性、半可撓性、または剛性とすることができる。

可撓性の実施形態では、構造体110は、たとえば袖のように、身体部分と任意に共形となる。トランスデューサを可撓性材料に取り付けることで、この実施形態が可能になる。可撓性材料は、それだけに限定されるものではないが、ラテックスゴム、ニトリルゴム、ネオプレンゴム、シリコーンゴム、およびこれらの組合せなどのゴムを含むことができる。可撓性材料はまた、ポリマー、プラスチック、および樹脂を含むことができる。フレキシブル回路および可撓性同軸ケーブルにより、トランスデューサへの可撓性の電気的接続が可能になる。

半可撓性の実施形態では、たとえば、構造体110は、鎖の鎖リンクと同様に、トランスデューサを含む剛性区分間にヒンジまたは旋回点を含むことができる。半可撓性の設計によって提供される自由度により、構造体110は、様々な形状に適合することが可能になる。各旋回点上に位置する位置エンコーダは、隣接する区分間の相対的または絶対的な角度の測定を可能にする。6DoFは、たとえば一般にx、y、およびz軸と呼ばれる三つの直交軸に加えて、一般にそれぞれロール、ピッチ、およびヨーと呼ばれる対応する各軸の周りの回転角度に応じて3次元の空間座標を有するデカルト座標系を参照することに留意されたい。

剛性の実施形態では、たとえば、構造体110は、円形もしくは楕円形のリングまたは略円形もしくは楕円状の多角形などの固定の形状とすることができる。構造体110の剛性の実施形態は、構造上、すべての次元において可撓性をもたない。

いくつかの実施形態では、たとえば、構造体110は、すべてのトランスデューサの6DoF位置が、支持構造体上の一つ以上の指定された点に対して既知の、測定された、または較正された数量になるように、超音波トランスデューサを支持する。他の実施形態では、たとえば、各トランスデューサの6DoF位置は、一つ以上の外部空間基準点に対して動的に測定される。

特に可撓性の実施形態では、剛性および半剛性の実施形態にもかかわらず、外部基準点から構造体110のトランスデューサ111またはハウジング本体119上の点までの距離は、たとえば、それだけに限定されるものではないが、一つ以上の光学撮像カメラ(たとえば、CCD)、光センサ(たとえば、フォトダイオード)、光学パターン(たとえば、QRコード(登録商標))、発光ダイオード、光ファイバー、量子ドット、蛍光性粒子、磁気センサ(たとえば、磁力計、ホール効果センサ、MEMSベースの磁気センサなど)、磁性粒子、磁石、電磁石、磁性ナノ粒子、金ナノ粒子、MEMSセンサ、容量センサ、電磁センサ、マイクロ波センサ、およびこれらの組合せを使用して、動的に測定することができる。そのような測定では、一つ以上の共通の空間基準点から構造体までの距離が既知の6DoF座標で測定される。構造体上の各測定点に対応する6DoF座標は、三つ以上の距離測定から三角測量される。たとえば、各トランスデューサまたは構造体に対する測定の不確実性は、たとえば各トランスデューサが6DoF座標の三角測量を可能にするために複数のセンサまたは測定点を有する場合、トランスデューサまたは構造体ごとに行われる総数に依存しない測定値の平方根に比例してほぼ低減される。一つ以上の空間基準点から各個別トランスデューサに対する構造体上の一つ以上の測定点への座標変換は、一つ以上の空間基準点に対する骨の位置を判定するために実時間で演算されて記憶される。座標変換の順序は、たとえば方向余弦、オイラー角、または四元数を使用するいくつかの方法または形式主義に応じて、同じ結果に到達することができる。

構造体110の形状は、特有の身体部分に対応するように最適化することができる。構造体110は、様々な母集団、たとえば女性または男性に特有の人間工学的な形状およびサイズを実施することができる。いくつかの実施形態では、たとえば、身体部分は、構造体110の内径領域を通って、骨が追跡される点まで滑り込む。たとえば、脛骨を測定するための音響トランスデューサアレイ構造体は、足、足首を通って、ふくらはぎの筋肉を越え、膝関節の下約3から6インチの領域まで滑り込む。この構造体は、たとえば、特定の身体部分の特有のサイズ範囲(たとえば、直径6から10インチに及ぶふくらはぎの筋肉)に対応するようにサイズ設定することができる。

構造体110は、たとえば、それだけに限定されるものではないが、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ポリマー、ファイバーガラス、プラスチック、ゴム、ガラス、または樹脂の組合せまたは複合物を含む様々な材料から製作することができる。

構造体110は、身体部分が動かされるにつれて身体部分とともに動くように設計される。たとえば、構造体110が大腿骨を含む大腿および膝腱領域の周りに位置決めされたとき、脚が動かされるにつれて、構造体110は、角偏位が音響データの獲得に対して悪影響を与えないように、脚とともに動くことが可能である。たとえば、構造体110は、骨を含む身体部分が動かされるときの機械的運動量を最小にするために、軽量に構成することができる。

構造体110は、身体部分内に含まれる骨に対して運動自由を有する。骨に対する構造体110の運動範囲は、構造体110を身体部分に取り付ける方法によって制限することができる。たとえば、構造体110が身体部分にテープで留められた場合、構造体110は、身体部分が動かされるにつれて身体部分に概ね追従するが、テープの可撓性ならびに皮膚およびその下にある軟組織の可撓性により、運動が制限されても、構造体110の運動が可能になる。いくつかの実施形態では、たとえば、構造110は、骨(身体部分内に含まれる)に対して少なくとも制限された運動自由を有するように設計されるが、構造体110は、身体部分または身体部分内に含まれる骨の運動に堅く連結されるわけではない。動作の際、たとえば、骨の時間依存6DoF座標は、構造体110に対して推定することができ、構造体110の6DoF座標は、各時点における骨の6DoF座標を空間内の固定点に変換する。そのような動作を実施することができ、これらの動作は、静的なまたは時間非依存の変換を構造体110の時間依存6DoF座標に適用することによる取得とは対照的である。また、たとえば、骨に対する構造体110の運動は、たとえば構造体110が身体部分から外れることを防止するために、そのような運動が制限されるように行うことができる。構造体110は、別の領域に比べてより容易に追跡される特徴を骨が含む特有の領域内で、身体部分に取り付けることができる。

骨に対する構造体110の非剛性連結には、他の堅い連結手段に比べて利点がある。より重要なことには、たとえば、連結は非侵襲的である。またたとえば、構造体110の非剛性連結は、切開、穿孔、注入、金属ねじ、金属棒、一時インプラント、永久インプラント、および縫合などの手術に関連する方法を必要としない。構造体110の非剛性連結はまた、たとえばあざ、感染、出血、血栓、挫傷、および瘢痕組織などの損傷から身体を保護する。構造体110の非剛性連結はまた、本質的に人間工学的であり、構造体110と構造体110が取り付けられた身体部分との両方に対して最も低い機械的応力を自動的に見つけるように構成され、ここで参照する機械システムは、構造体110と、音響カプラ112と、身体部分と、骨と、構造体110を身体部分に取り付けて制限された動きを可能にするために使用される構造体110の構成要素とを含む。たとえば、構造体110からの音響エネルギーを不規則な形状の身体部分に結合することは、たとえば可撓性を有し、弾性を有し、かつ変形可能であるヒドロゲルなどの音響結合材料を使用する。

いくつかの実施形態では、たとえば、構造体110は、円筒形とすることができ、異なる身体部分に対応し、トランスデューサを含む構造体110を身体部分に取り付けるために、可変または固定の高さを有する。構造体110は、身体部分に一時的に取り付けることができる。たとえば、音響トランスデューサアレイ構造体110は、構造体110を身体部分に取り付けるための固定構成要素を含むことができ、固定構成要素は、それだけに限定されるものではないが、テープ、接着剤、ストラップ、バックル、スナップ、ボタン、ベルクロ(登録商標)(Velcro)、およびカフス、ならびにこれらの組合せ含むことができる。

円形リング構造体からの可撓性の円筒形延長部、たとえばゴムカフスを使用して、構造体110を身体部分に保持することができる。カフスの内径は、身体部分の上へ滑り込んで外周全体の周りにしっかりと保持するように、身体部分の外周よりわずかに小さくすることができる。ゴムカフスは、身体部分全体の周りにシールを形成することができ、その結果、患者とトランスデューサを含む構造体との間の空隙を、液体または半流動体の音響結合媒体で充填することができる。カフスは、それだけに限定されるものではないが、ゴムエラストマ、シリコーン、ポリウレタン、ラテックス、ネオプレン、天然ゴム、布、ナイロン、絹、または綿を含む純粋または合成の弾性材料から作ることができる。前記カフスは、再利用のためにオートクレーブ処理可能とすることができ、または1回限りの使用のために使い捨てとすることができる。オートクレーブ処理および化学滅菌に適合している材料は、医療デバイスの分野でよく知られている。

皮膚および軟組織を通ってトランスデューサと骨との間で音響エネルギーを結合するために、音響結合媒体が必要である。開示する技術の音響結合媒体112は、たとえばそれだけに限定されるものではないが、水、ポリマー、有機溶媒、有機化合物、無機化合物、およびこれらの組合せを含むいくつかの材料を含むことができる。音響結合媒体112は、具体的には、水、アクリルアミド、ビスアクリルアミド、PVA、PVP、DMSO、プロピレングリコール、安息香酸ナトリウム、アルギン酸ナトリウム、ホウ酸ナトリウム、塩化ナトリウム、過硫酸アンモニア、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、テトラメチルエチレンジアミン(TMED)、キトサン、酢酸、エタノール、ポリエチレングリコール、ソルビトール、デキストロース、およびアロエベラ、ならびにこれらの組合せを含むことができる。音響結合媒体112は、静菌性になるように、有機または無機の化合物または粒子を含むことができる。

音響結合媒体112は、音速および音響インピーダンスが軟組織のものに類似している液体またはゲルとすることができる。いくつかの実施形態では、たとえば、音響結合媒体112によって提供される音速は、たとえばそれぞれ脂肪から筋肉の範囲の軟組織に対応するように、1450から1590m/秒の範囲である。いくつかの実施形態では、たとえば、音響インピーダンスは、それぞれ脂肪から筋肉の範囲の軟組織に対応するように、1.3から1.7MRayl(kg/(秒・m²)×10⁶)の範囲である。

音響結合媒体112は、事前に形成されたゲル材料、たとえば円筒形のヒドロゲルを含むことができる。いくつかの実施形態では、たとえば、ヒドロゲルは、ポリマーを架橋してゲルを形成するために数回の凍結融解温度サイクルにかけたPVAおよび水を主に含むことができる。

温度サイクルの前に、PVA溶液が型の中へ注がれる。この型は、3D印刷技術を使用してカスタマイズ可能であるため、例示的なヒドロゲル音響結合媒体112の形状は、個別の身体部分および特有のトランスデューサ構造体に合わせることができる。たとえば、脛骨は、脚の周りの軟組織の可変の厚さを呈し、その組織は、向こうずねで薄く、ふくらはぎで厚い。骨表面に音響焦点領域を配置するために、向こうずねで厚く、ふくらはぎで薄くなるように、可変厚さの円筒形ヒドロゲルパッドを形成して、脛骨の周りに可変の相殺経路を提供することができる。3次元の断層撮影による撮像情報を利用して、ゲルパッドを各患者に人間工学的に合わせることができる。

いくつかの実施形態では、たとえば、ヒドロゲルは、皮膚に付着し、皮膚を傷つけたり不快を与えたりするほどではない力で取り外すことができる。ヒドロゲルは、ゲルと皮膚の境界面における不快さおよび音響アーチファクトを最小にするために、長期間にわたって皮膚を水和状態および可撓状態に保つのに十分な水およびイオンの含有量を有する。ヒドロゲルは、トランスデューサに塗布された音響ゲルによって超音波トランスデューサおよび支持構造体を受け入れる溝またはスロットを有する。この構造体は、前述した一時的な固定構成要素によって身体部分に取り付けられる。

本技術の音響トランスデューサアレイおよび構造体デバイスならびに音響信号伝送カプラントデバイスに関する追加の情報および例は、本特許文献に参照により組み込まれている、米国特許出願公開第2016/0242736号に記載されている。

いくつかの実施形態では、たとえば、音響トランスデューサアレイ構造体は、超音波トランスデューサおよび剛性の支持構造体またはフレームを含む一体型のデバイスであり、電子機器およびトランスデューサ素子を機械的損傷から保護するケーシング部分内に密閉される。ケーブル配線がデバイスに入る位置まで筐体を封止するために、音響的に適合しているポリウレタンまたは類似の材料を最も外側の被覆として用いることができる。トランスデューサ上のポリウレタン被覆の厚さ、音響インピーダンス、減衰、および音速は、各トランスデューサ上に存在する一つ以上の音響整合層の一部として音の伝送を最適化するように制御される。コネクタ120(たとえば、ケーブル配線)は、歪緩和されるように構成することができ、汚染物質の侵入を防止するために一つ以上のシールによってデバイス内へ捕捉することができる。複数の患者に対してその再利用を可能にするために、ケーブル配線まで音響トランスデューサアレイ110全体にオートクレーブ処理または化学滅菌を施すことができる。オートクレーブ処理および化学滅菌に適合している材料は、医療デバイスの分野ではよく知られている。

トランスデューサ111は、電気エネルギーを音圧波に、音圧波を電気エネルギーに変換する。いくつかの圧電材料をトランスデューサ111内で使用することができ、圧電材料は、効率的な電気音響トランスデューサであり、たとえばそれだけに限定されるものではないが、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、亜鉛ニオブ酸鉛およびチタン酸鉛(PZN-PT)、ニオブ酸鉛マグネシウムおよびチタン酸鉛(PMN-PT)、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、ならびにメタニオブ酸鉛を含む。ポリフッ化ビニリデン(PVDF)というポリマーもまた、良好な電気音響変換特性を有することが知られている。いくつかの圧電材料は、たとえばともに焼結された特有の材料(たとえば、PZT)の小さい結晶を含む規定の粒子サイズを有するセラミックとして形成される。他の圧電材料は、圧電材料(たとえば、PZN-PT、PMN-PTなど)の単結晶から形成される。音響特性を最適化するために、トランスデューサは、前述した材料と音響エネルギーを吸収または減衰することが知られている材料(たとえば、ポリウレタン、エポキシなど)を組み合わせた一つ以上の合成物から形成することができる。そのような合成物は、様々な幅、長さ、および深さの切れ目でトランスデューサ素子をダイシングおよびサブダイシングすることによって形成することができ、これらの切れ目は、特有の振動モードを分離および/または減衰するために一つ以上の減衰材料で充填される。トランスデューサは、帯域幅および効率を増大させるために、複数の層またはスタックで製作することができる。

いくつかの実施形態では、たとえば、各トランスデューサ111は、1から10MHzの範囲の共振周波数および共振周波数の10から120%の範囲の-6dB半振幅比帯域幅を有する円形素子を含む。この例では、円形素子は、固定の焦点深さを有し、円形素子の平面に直交する中心軸の周りに放射対称を有する音響ビームを生じさせる。円形素子は、中心伝送周波数、素子の直径、および幾何学的な焦点深さの好ましい組合せを有し、したがって、焦点深度または被写界深度としても知られている音場が集束される範囲は、組織と骨の境界面を含む。フレネル距離および焦点深度としても知られている焦点深さはまた、周波数および深さ依存減衰が予期されるため、中心周波数および帯域幅を制限し、これは約0.2から1dB/cm/MHz以上の範囲とすることができる。たとえば、浅い組織内に位置する骨は、理論上は2MHzの中心周波数を使用して特定することができる組織内深くに位置する骨に比べて、理論上は8MHzなどの高い中心周波数を使用して特定される。好ましくは、予期される骨の最大深さにおける減衰は、妥当な受信器利得に対応するために、60dB以下である。円形素子は、好ましくは、パワー伝送を最大にするために、一つ以上の整合層によって音響結合媒体112のインピーダンスに整合される。さらに、円形素子は、凹面の形状に形成することによって、または音響結合媒体112より小さいもしくは大きい音速を有するレンズを追加することによって、幾何学的に集束させることができる。レンズと音響結合媒体との接触を最大にする目的で、音響結合媒体より小さい音速を有する凸レンズとしてこのレンズを形成することが好ましく、したがって、凸面の形状により、音響結合媒体との接触がより良好になり、気泡を閉じ込める可能性が低くなる。たとえば、円形素子の空間応答のサイドローブを-17.5dBという標準的な第1のサイドローブレベル未満に下げる目的で、サイドローブレベルを低減させるために、音響レンズにまたは一つ以上の整合層内にアポダイゼーション特性を含むことが、必要ではないが好ましい。アポダイゼーションは、トランスデューサの円形区域を横切る半径に応じて可変の減衰を有する材料を含むことによって実現される。可変の減衰は、半径に応じて量が変動する吸音材料を組み込むことによって実現される。そのような材料には、それだけに限定されるものではないが、ミクロンサイズの気泡、ミクロンサイズの空気のマイクロバルーン、それだけに限定されるものではないが、ゴム、プラスチック、ガラス、金属、およびセラミックのミクロンサイズの粒子が含まれる。

いくつかの実施形態では、たとえば、円形リング構造体上に配置された円形トランスデューサ素子の数は、少なくとも16(たとえば、いくつかの実施形態では、32以上)であり、骨の位置を判定する際の標準誤差は、独立した測定値の数の平方根に比例し、したがって16個の素子に対して標準誤差の0.25倍、64個の素子に対して標準誤差の0.125倍である。素子の数は主として、上記で論じたいくつかの関連する設計パラメータおよびリングの内腔の外周によって規定される素子直径によって規定される。円形超音波トランスデューサ設計の等式を使用して、1組の特定の制約に対して使用することができる素子直径および中心周波数を調査するために、トレードスタディを公式化することができる。たとえば、4から6cmの範囲のフレネル距離、5.3cmから8cmの範囲のフレネル距離の4/3として計算される被写界深度、および40dB未満の2方向減衰を実現するために、1.0dB/cm/MHzの2方向減衰と仮定すると、前述した設計上の制約を満たす近似素子直径および中心周波数の組合せには、それだけに限定されるものではないが、8MHzで6mmの直径、7MHzで6から7mmの直径、6MHzで7mmの直径、5MHzで5mmの直径、4MHzで8から9mmの直径、3MHzで10から11mmの直径、2MHzで12から13mmの直径、1MHzで16から19mmの直径が含まれる。図4は、トレードスタディの一例を描く図を示す。

本技術の様々な例示的な実施で実証されるように、素子直径および中心周波数に対していくつかの可能性が存在する。骨追跡手法の目標は、骨からの鏡面反射の可能性を最大にし、かつ骨自体の中からのレイリー散乱またはレイリー状の散乱の可能性を最小にすることである。骨に対する音響伝送係数は、0より大きく、約0.5であるため、相当量の音響エネルギーが骨に入り、構造全体に散乱する可能性がある。骨が生きている組織であるとき、軟組織に比べてはるかに大きい音速および音響インピーダンスを用いても、骨の中からの散乱は、軟組織内のレイリー散乱に類似している。しかし、骨は、4から8dB/cm/MHzの範囲のはるかに大きい周波数および深さ依存減衰を有する。したがって、骨の中からのレイリー散乱の可能性を最小にするために、より高い中心周波数が好ましい。

対照的に、鏡面散乱の可能性は、骨表面にわたってより大きい区域を覆うより大きいビーム直径に対して最大になり、鏡面反射が受信される平坦または略平坦な領域を発見する可能性が増大する。-6dBのビーム直径は、開口のF数に波長を掛けることによって近似的に与えられ、ここでF数は、レイリー距離または焦点深度を素子直径で割ることによって近似的に与えられる。焦点深度が5cmで一定の場合、前述したトランスデューサ直径および中心周波数の組合せは、1MHzの設計に対して約4から4.7mmから8MHzの設計に対して約1.6mmの範囲のビーム幅を有する。

たとえば、トレードは、中心周波数および素子直径と鏡面散乱の可能性とレイリー散乱の可能性との間に存在する。前述した制約に基づく好ましい設計は、極値間に位置するはずであり、たとえば5MHzで直径5mmの素子が、約1.9mmのビーム直径を有する。いくつかの場合、たとえば、周波数がより高くまたはより低く傾くことが好ましいことがある。たとえば、いくつかの場合、骨の表面にほぼ重複するビームを有することが好ましいことがあり、したがって場合により、ビームを広げるためにより低い周波数またはより小さい素子を必要とする。

トランスデューサ素子111および素子111の構成は、単一の平面内の単一のリング素子の配置に限定されるものではない。たとえば、これらの素子は、二つ以上のリングに沿って配置することができ、それによりこれらの素子は、たとえば大腿骨の長さに沿って二つ以上の平面に沿って骨エコーを追跡するために、円筒形の配置において二つ以上の平面を占める。各平面を占める素子の個別のリングはまた、たとえば螺旋パターンまたは渦巻きなどの螺旋状パターンで空間サンプルを骨の周りにより均一に分散させるように、隣接するリングに対して互い違いにすることができる。同様に、これらの素子は、素子間の角度が一定になるように、周期的な空間サンプリングを実現するように配置することができ、たとえば骨の周り全360度にわたるように32個の素子を11.25度で分離する。そのような一定のサンプリング配置は、略円形である大腿骨の追跡に適用可能になるはずである。円形の幾何形状と共形でない寛骨などの特有の骨を追跡する場合、トランスデューサの最適の空間サンプリングが非周期的もしくは不均一であり、または3次元で空間的に異なる応用例を考えることができる。

いくつかの実施形態では、たとえば、トランスデューサ素子111は、すべてが空間内の同じ点を指すように、互いに同じ平面内に配置される。他の実施形態では、たとえば、トランスデューサ素子111は、特定の骨からの音響エコー内の鏡面反射を最大にするように判定された角度を指すように固定される。たとえば、脛骨の横断面は、円形ではなく略三角形である。トランスデューサ素子は、脛骨の表面からの鏡面反射を最大にするために必要とされる3Dベクトルに沿って向くように配置することができる。

いくつかの実施形態では、たとえば、骨の位置は、音響結合媒体、たとえばヒドロゲルを使用することによって、焦点深度内で維持される。弾性のヒドロゲル結合媒体112は、骨を取り囲む身体部分および軟組織の凸凹に適合することができる。例示的なヒドロゲル結合媒体112は、特定の応用例に合うように人間工学的に設計および成形することができる。

異なるトランスデューサアレイ構成および幾何形状を考えることができる。アレイは、開いているか閉じているかにかかわらず、円形もしくは楕円形のまたは湾曲した開口内に配置された数百または数千の素子を含むことができる。たとえば、単一の素子を使用して音響ビームを集束させる代わりに、臨床用超音波スキャナにおける現在の現況技術に一貫して、一つ以上の1D、1.25D、1.5D、1.75D、2D、または3Dの線形またはフェーズドアレイ内に配置されたいくつかの小さいトランスデューサ素子からの好適に遅延された伝送を使用して、集束を実現することができる。線形アレイは、典型的には、一つ以上の波長の素子中心間のピッチまたは間隔を有し、フェーズドアレイは、一つの波長より小さいピッチを有し、好ましくは音響ビームのステアリングを可能にするために、2分の1波長以下のピッチを有する。線形またはフェーズドアレイの動作は、臨床用超音波スキャナで一般に実施される完全または部分的に合成開口モードとすることができる。開示するシステムは、音響エネルギーを伝送または受信する特有の手段または開口寸法に限定されるものではない。さらに、開示するシステムは、トランスデューサアレイに対する特定の直径、形状、またはサイズに限定されるものではない。開示するシステムは、一つ以上のアスペクトまたは視点または角度または方向からの部分的または完全にビーム形成された超音波画像、0から360度の範囲の角度にわたる断層撮影超音波、合成開口超音波、および3次元超音波データセットに直接適用可能である。

トランスデューサ素子の一つ以上のアレイを利用する特有の実施形態は、具体的には、骨、たとえば大腿骨の外周または断層撮影範囲による高分解能で高速の整形外科的追跡に適用される。

一実施形態では、1/2波長から数波長の範囲のピッチを有するトランスデューサ素子の1Dアレイが、完全な円内に配置されて、断層撮影アレイを形成する。図5Aは、そのような断層撮影アレイの上面図の例を示す。この配置では、それぞれの場合における伝送と受信の両方に関するアレイの電気接続性およびチャネルの数に応じて、伝送および受信に対して多くの可能性が存在する。同様に、アレイの標的応用例により、アレイの外周の周りで必要とされる空間サンプリングが規定される。たとえば、いくつかの場合、素子の中心から円形アレイの幾何学的中心の方を向くベクトルによって規定される特有の方向または径方向ベクトルに沿って、伝送と受信の両方において音響エネルギーを集束させるために、狭い指向性を有する大きい素子を利用することが有益なことがある。他の場合、たとえば、アレイがたとえば伝送と受信の両方において動的な集束およびアポダイゼーションで動作することができるように、広い指向性を有する小さい素子を利用することが有益なことがある。

概して、素子のピッチまたは間隔は、ビーム形成でステアリングが必要とされるとき、実ビームまたは合成開口動作において伝送または受信でのグレーティングローブの可能性を低減または除去するように制限されなければならない。ステアリングが可能にされる整形外科的追跡の応用例を考慮すると、例示的なアレイは、素子ピッチの約1024倍を2πで割った値に等しい半径を有する断層撮影開口を含む1/2波長から2波長の範囲の方位ピッチで隣り合わせに配置された1024個のトランスデューサ素子を含むことができる。図5Bは、そのようなアレイの上面図の例を示し、図5Cおよび図5Dは、そのようなアレイの側面図および等角図を示す。したがって、素子幅は、1/2波長から2波長の範囲から素子間の空間、すなわち切溝を引いた値である。仰角次元の素子高さは、特定の応用例に対する典型的な深さおよび焦点深度要件に応じて仰角において受動的かつ幾何学的な集束能力を提供するために、数波長に及ぶことができる。記載の断層撮影開口は、特有の伝送および受信パターンを例示する目的で提供される。伝送および受信パターンは、断層撮影構成内に配置された素子の任意の素子サイズおよび数を含むアレイに等しく適用可能である。

いくつかの実施形態では、伝送は、一つ以上のトランスデューサ素子上で可能にされ、好ましくは、二つ以上の素子の場合は連続する素子群上で可能にされ、単一の集束された音響ビーム、すなわち実ビームを形成するために、それぞれに電子遅延が割り当てられる。図5Eは、連続する素子群上で伝送が可能にされるそのような構成の一例を示す。一つの素子上の伝送の場合は、以下でさらに説明するように、別個に処理される。ビーム形成のプロセスは、超音波撮像、レーダ撮像、および信号処理の技術分野でよく知られている。

一例では、図5Fの例示的な図に示すように、実伝送ビームは、64個の連続する素子、たとえば素子1から64上の伝送に起因することができ、ビームの焦点は、素子1から64が及ぶ弧長および角度によって形成される扇形内に位置する。この例では、図5Gの例示的な図に示すように、素子1から64上の伝送に続いて、素子2から65上の伝送を行うことができる。

いくつかの実施形態では、伝送ビームは、素子インデックスで任意の増分を段階的に行うことができ、たとえば素子1から64上の伝送に続いて、素子257から320上の伝送が行われる。

いくつかの実施形態では、実伝送ビームは、それぞれの関与する伝送素子に好適な遅延を適用することによって、空間内で任意にステアリングすることができる。

いくつかの実施形態では、実伝送ビームは、それだけに限定されるものではないが、静的(たとえば、1 1 1…)、増分的(たとえば、1 2 3…)、連続的(たとえば、1 3 5…)、周期的(たとえば、1 513 1 513…)、ランダム(たとえば、254 46 884 373 109 209…)、繰返し(たとえば、1 1 1…)、循環的(たとえば、1 2 3 1 2 3…)、または決定論的(たとえば、mod(伝送インデックス、128)=0)を含むように変化する間隔で一つの伝送から次の伝送へ変化する伝送開口の仮想中心、すなわち位相中心を有する任意の連続する素子群から任意に放射することができる。

一実施形態では、実伝送ビームは、定義されたサイクル時間で周期的に繰り返すシーケンスに応じて放射される。

実ビームの伝送に続いて、受信開口を含む複数の素子が、音響エコーを受信することが可能にされる。いくつかの実施形態では、受信開口は、図5Hに示すように、伝送開口に対して中心またはほぼ中心に位置合わせされた一つ以上の素子を含む。

いくつかの実施形態では、受信開口は、伝送開口が伝送間で位置を変化させるにつれて伝送開口に追従する。

実ビームに影響するパラメータ、たとえば開口サイズ、アポダイゼーション、および遅延は、事前情報、たとえばトランスデューサ素子の予期される位置から骨の表面までの距離の測定値を与えるMRIまたはCT画像に応じて、事前に判定することができる。事前情報は、たとえば平坦な領域に対して法線方向または湾曲領域の局所的な頂点に対して法線方向をなす、骨上の特徴に対するビームの位置を判定する際に使用することができる。

加えて、最適化プロセスで、伝送に関与する素子の数、各素子に対する伝送遅延、各素子に対する伝送振幅を判定することができる(たとえば、正規化された素子ごとの伝送アポダイゼーションは、0から1の範囲である)。特に、実ビームは、骨の近傍から受信したエコーをコヒーレントにビーム形成することから導出される集束メトリクス、たとえば骨の近傍のエコー強度、エコーパワー、および画像コントラストに応じて、骨の表面に焦点を配置するように、手動または自動で調整することができる。同様に、受信に利用されるトランスデューサ素子もまた、受信に関与する素子の最適の数、各素子に対する受信遅延、および各受信エコーの加重を判定するように最適化することができる(たとえば、正規化された素子ごとの受信アポダイゼーションは、0から1の範囲である)。

いくつかの実施形態では、F数、たとえば焦点深度を伝送および受信開口の開口サイズで割った値は、骨上に照射された複数の点に対して骨の表面と位置合わせされた焦点に関して、各ビームに対してほぼ一定で保持される。たとえば、アレイ上の点から深さ1cmおよび深さ3cmに位置する二つの骨境界面に対して1のF数を維持するために、開口サイズは、それぞれ約1cmおよび3cmにしなければならない。これは、図5Iの例示的な図から見ることができ、1のF数は、アレイの二つの側の伝送/受信開口からそれぞれ1cmおよび3cmに位置する二つの焦点に対して維持される。ここで、開口サイズは、この開口を含む最も離れた素子上の点まで測定された線形距離、たとえば弦長によって画定される。

実ビームによるビーム形成に対する代替形態として、合成開口ビーム形成を用いることができる。合成開口の実施形態では、ビーム形成の多くの可能性が存在する。たとえば、合成伝送開口を非合成受信開口とともに利用することができる。別法として、非合成伝送開口を合成受信開口とともに使用することができる。さらに別の代替形態では、合成伝送開口を合成受信開口とともに使用することができる。いくつかの応用例では、独立して獲得する必要のある伝送および受信の組合せの数が多いため、完全に合成の伝送および受信開口の利用は実行可能でない可能性がある。

完全合成開口ビーム形成サンプル内に含まれる高度の冗長エコー情報と、トランスデューサ素子の制限された指向性を組み合わせることで、特有の実施形態が可能になる。そのような実施形態のいくつかについて、以下でさらに説明する。

一実施形態では、前述した例示的なアレイからの伝送は、たとえば合成伝送開口方式で、一度に一つのトランスデューサ素子上で可能にされ、それに続いて、この伝送素子およびこの伝送素子の両側への伝送素子を含む一つ以上の素子の受信が同時に行われる。この実施形態は、1群の伝送素子ではなく一つの伝送素子が利用されることから、上述した実施形態とは異なる。

たとえば、素子1上の伝送に続いて、993から32の範囲の連続する1群の64個の素子上の受信が行われる。次に、素子2上の伝送に続いて、994から33の範囲の64個の素子上の受信が行われる。次に、素子3上の伝送に続いて、995から34の範囲の64個の素子上の受信が行われる。このパターンは、すべての素子を伝送のために一度ずつ使用して単一のサイクルを完了するまで連続して継続される。

一般性を失うものではないが、この実施形態はまた、より小さいまたはより大きい受信開口(たとえば、32個または128個の素子)にも適用され、伝送素子は、受信開口内のほぼ中心に位置合わせされ、受信開口は、伝送素子とともに段階的に進む。

別の実施形態では、一つの素子上の伝送および同じ素子上の受信に関して、合成開口の特別な場合が実施される。この実施形態は、1群の伝送素子ではなく一つの伝送素子が利用されることから、前述した実施形態とは異なる。

前述した例示的なアレイを参照すると、たとえばサイクルは、素子1上の伝送で開始し、それに続いて、素子1上の受信が行われる。次に、素子2上の伝送に続いて、素子2上の受信が行われる。同様に、素子3上の伝送に続いて、素子3上の受信が行われる。このパターンは、素子1024上の伝送および素子1024上の受信で終了して、一つのサイクルを完了し、その後このパターンが繰り返される。

この実施形態では、伝送および受信は、連続する順序以外で、たとえば連続する4分円で進めることができる。前述した例示的なアレイを参照すると、このサイクルは、素子1上の伝送で開始することができ、それに続いて、素子1上の受信が行われる。次に、素子257上の伝送に続いて、素子257上の受信が行われる。次に、素子513上の伝送に続いて、素子513上の受信が行われる。次に、素子769上の伝送に続いて、素子769上の受信が行われる。次に、素子2上の伝送に続いて、素子2上の受信が行われる。次に、素子258上の伝送に続いて、素子258上の受信が行われる。次に、素子514上の伝送に続いて、素子514上の受信が行われる。次に、素子770上の伝送に続いて、素子770上の受信が行われる。このパターンは、伝送および受信に対する素子インデックスを一つずつ増大させることによって継続する。このパターンは、素子1024上の伝送に続いて、素子1024上の受信が行われることで終了する。各反復は、すべての素子を伝送のために一度ずつ使用して一つのサイクルを完了するまで一つの素子によって増分され、その後各反復が繰り返される。

同様に、伝送および受信は、連続する順序以外で、それだけに限定されるものではないが、連続して半分、4分円、および8分円を含む他の割り方で進めることができる。

別法として、伝送は、すべての素子を伝送のために一度ずつ使用して伝送サイクルを完了するまで、素子のランダムまたは擬似ランダム順列、たとえば328;82;119;829;130;91;848;485;4;238などに応じて進めることができる。各伝送に対して、その伝送素子上で受信が行われる。たとえば、素子328上の伝送後、受信が素子328上で行われる。

この実施形態の重要な特徴は、一つの伝送事象につき1伝送チャネルおよび1受信チャネルのみが必要とされ、したがって、受信の際にさらに多くの素子を利用する完全合成開口モードに比べて、この動作モードに対するハードウェアの複雑さおよびデータの体積が劇的に低減されることである。データ率が低減されることで、エコーサンプルを伝達するために必要とされる時間、およびこれらのサンプルを処理するために必要とされる時間が低減され、最終的に、標的、たとえば骨の実際の物理的な位置と、標的の推定される位置との間の時間の遅れが低減される。小さい遅れで位置フィードバックが高速であることは、不正確さ、アンダーサンプリング、およびヒステリシスによるコントローラフィードバック誤差を防止するために、支援型手術において極めて重要である。

一実施形態では、合成開口の第2の特別な場合は、一つの素子上の伝送および二つの素子上の受信、具体的には、この伝送素子およびすぐ隣接する一つの素子上の受信に関して実施される。たとえば、アレイは、断層撮影開口を構成する1/2波長から1波長の範囲のピッチで隣り合わせに配置された1024個のトランスデューサ素子を含む。この構成では、素子1上の伝送に続いて、素子1および2上の受信が行われる。次に、素子2上の伝送に続いて、素子2および3上の受信が行われる。同様に、素子3上の伝送に続いて、素子3および4上の受信が行われる。このパターンは、素子1024上の伝送ならびに素子1024および1上の受信で終了して、一つのサイクルを完了し、その後このパターンが繰り返される。別法として、このサイクルは、素子1上の伝送で開始することができ、それに続いて、素子1024および1上の受信が行われる。次に、素子2上の伝送に続いて、素子1および2上の受信が行われ、素子1024上の伝送ならびに素子1023および1024上の受信で終了するまで、以下同様である。伝送素子前後の両方の素子上の受信も可能であり、本明細書に開示するが、どちらの場合も、音響エコー情報は大いに冗長である。

この実施形態では、伝送および受信は、連続する順序以外で、たとえば連続する4分円で進めることができ、素子1上の伝送に続いて、素子1および2上の受信が行われる。次に、素子257上の伝送に続いて、素子257および258上の受信が行われる。次に、素子513上の伝送に続いて、素子513および514上の受信が行われる。次に、素子769上の伝送に続いて、素子769および770上の受信が行われる。次に、素子2上の伝送に続いて、素子2および3上の受信が行われる。次に、素子258上の伝送に続いて、素子258および259上の受信が行われる。次に、素子514上の伝送に続いて、素子514および515上の受信が行われる。次に、素子770上の伝送に続いて、素子770および771上の受信が行われる。各反復は、すべての素子を伝送のために一度ずつ使用して一つのサイクルを完了するまで一つの素子によって増分され、その後各反復が繰り返される。

同様に、伝送および受信は、連続する順序以外で、それだけに限定されるものではないが、連続して半分、4分円、および8分円を含む他の割り方で進めることができる。

別法として、伝送は、すべての素子を伝送のために一度ずつ使用して伝送サイクルを完了するまで、素子のランダムまたは擬似ランダム順列、たとえば72;987;63;231;546;771;9;1021;393;20などに応じて進めることができる。各伝送に対して、その伝送素子上および先行する素子または後続の素子上で受信が行われ、たとえば素子72上の伝送の場合、素子71および72または素子72および73上で受信が行われる。素子71、72、および73上の同時受信も可能であるが、素子71および73に対して記録されるエコー内に含まれる情報は、大いに冗長である。

この実施形態の重要な特徴は、一つの伝送事象につき1伝送チャネルおよび2受信チャネルのみが必要とされ、したがって、受信の際にさらに多くの素子を利用する完全合成開口モードに比べて、この動作モードに必要とされるハードウェアの複雑さおよびデータ量が劇的に低減されることである。データ速度が低減されることで、エコーサンプルを伝達するために必要とされる時間、およびこれらのサンプルを処理するために必要とされる時間が低減され、最終的に、標的、たとえば骨の実際の物理的な位置と、標的の推定される位置との間の時間の遅れが低減される。小さい遅れで位置フィードバックが高速であることは、不正確さ、アンダーサンプリング、およびヒステリシスによるコントローラフィードバック誤差を防止するために、支援型手術において極めて重要である。

すべての実ビームおよび合成開口の実施形態では、骨の境界面を含む狭い範囲窓にわたってエコーをビーム形成することだけが必要である。これに関して、図5Jの例示的な構成に示すように、同時に飛行するように複数の伝送を時間差で行うことができるが、ビーム形成器内でのエコーサンプルの重複を防止するのに十分に隔置される。たとえば、まず3cmの範囲窓が、開口1上の伝送によって照射され、それに続いて、たとえば1540m/秒に等しい音速で20マイクロ秒または空間的に3.08cmの規定の遅延後、開口2上のコヒーレント伝送が行われ、それに続いて開口1上の受信が行われ、それに続いて開口2上の受信が行われる。図5Kは、伝送および受信信号の例示的なシーケンスを時間の関数として示す。高速マルチプレクサを使用して、開口1および2から受信を切り換えることができる。この技法を使用して、伝送の際にすべての素子を覆うために必要とされるその結果得られるサイクル時間が、約2の係数で割られる。同様に、それぞれの追加の互い違いにされた伝送に対して、サイクル時間の追加の低減が可能にされる。たとえば、三つの互い違いにされた伝送により、サイクル時間が約3分の1に低減される。多重化に対する代替形態として、追加の受信チャネルを利用することができる。

伝送を互い違いにするために利用される伝送遅延は、前の伝送からのコヒーレントエコーを時間的に非相関にするためにランダムに変動させることができ、したがって超広帯域通信などの分野で時間ディザリングとも呼ばれるものを生じさせることができる。

別の実施形態では、コード化波形、具体的には直交する波形を使用して、同時伝送が可能にされ、たとえばこれらの波形の相互相関は、すべての遅延に対してゼロまたは約ゼロになる。

別の実施形態では、コード化波形、具体的には部分的に直交する波形を使用して、同時伝送が可能にされ、たとえばこれらの波形の相互相関は、ある範囲の遅延に対してゼロまたは約ゼロになる。

別の実施形態では、所与の伝搬経路に対する飛行および減衰時間を測定する目的で、伝送開口の位相中心から90度から-90度離れたアレイ素子上で、たとえばピッチ-キャッチ送受信方式で、一つ以上の受信が行われる。図5Lに示すように、前述した例示的なアレイを使用して、素子1上の伝送の場合、素子257から769上で一つ以上の受信が行われる。そのような伝送および受信の完全なサイクルは、伝送断層撮影データセットを含み、そこから音速および減衰を推定および使用して、伝送と受信の両方におけるビーム形成器遅延を改善することができる。

開示する技術は、たとえばデータ処理ユニット144(図1Cに示す)を使用して、データを処理して、身体部分の整形外科的構造の形状、位置、および動き情報を識別するデータセットを生成する方法を含み、このデータセットから音響信号データが獲得される。開示する方法の例示的な特徴について、本技術の様々な実施形態および実施に関してさらに説明する。

例示的な整形外科的追跡方法について、一般な用語で説明し、この方法は、音響OTS100の任意の可能なアレイ構成に適用可能である。構造体110の複数の音響トランスデューサ素子111から、たとえば連続して一度に一つずつ、同時に、または時間差もしくは時間遅延パターンで、音響(たとえば、超音波)パルスが伝送される。各伝送に伴って、単一の伝送に対応する一つ以上のトランスデューサ素子111上で音響エコーを受信する。たとえば、円形の固定焦点ピストントランスデューサの場合、エコーは、同じトランスデューサ上のみで受信される。たとえば、線形またはフェーズドアレイの場合、一つ以上のトランスデューサ上で同時に受信が行われる。受信したエコーは、ナイキストのサンプリング定理によって規定されるように、軟組織および骨からのこれらのエコーに対応するすべての関連スペクトル情報を保持するのに十分に、たとえばデバイス140によって増幅され、フィルタリングされ、時間的にサンプリングされる。受信したエコーは、デジタルでサンプリングされ、処理のために記憶される。

好ましくは、伝送されたパルスは、可能な限り最も広い帯域幅、たとえば100%前後の比帯域幅を含み、これは、単一の音響サイクルのインパルス応答にほぼ対応する。高い帯域幅の理由は、骨からの鏡面エコーの位置が、波長を比帯域幅で割った値にほぼ反比例する範囲不確実性を有することである。たとえば、5MHzで動作する比帯域幅80%のシステムは、0.308mmの波長を有する。この例示的なパルスに対する範囲測定不確実性は、約0.308mmを0.8で割った値であり、これは0.385mmに等しい。他の測定不確実性の原因には、それだけに限定されるものではないが、有限のビームサイズによって引き起こされる空間の平均化、電子ノイズ、時間サンプリング、量子化ノイズ、サイドローブ、グレーティングローブ、減衰、音速、および運動が含まれることがある。アレイまたは患者の運動が1m/秒を上回って非常に高速である場合を除いて、帯域幅、波長、および音速は、典型的には、測定不確実性の最大の原因である。周波数および深さ依存減衰による信号対ノイズ比(SNR)の損失を補償するために、大きい時間帯域幅(たとえば、スペクトル拡散波形)積を有する伝送された波形を使用することで、より高い伝送周波数でより深い侵入が可能になる。

いくつかの実施形態では、たとえば、使用される波形は、スペクトル拡散波形として知られている波形クラスに属する。そのような波形は、それだけに限定されるものではないが、周波数および深さ依存減衰、電子ノイズ、隣接するチャネル間のクロストーク、ならびに音響的反響を含む有害な要因に対して頑強である。たとえば、約100kHzまでの任意の範囲のパルス繰返し周波数(PRF)を有する波形を伝送することができ、上端は、音速、減衰、エコーが有用な情報を含む最大深さ、隣接する伝送ビーム(たとえば、互い違いの伝送)間の空間および時間重複度、伝送および受信マルチプレクサ回路の速度、電子クロストーク、ならびに潜在的な組織の加熱によって規定される。骨上の独立した位置を十分に照射するための1サイクル当たりのPRFおよび伝送数により、OTSが骨の6DoF座標に関する位置フィードバックを提供する速度が規定される。

骨反射の鏡面の性質のため、組織と骨の境界面からのエコーは、軟組織および骨自体の中からのエコーに比べて、異なる特定可能なエコーサインを呈する。水中に懸濁させたヒト大腿骨からの鏡面エコーサインは、図6Aに示されており、これらの例示的な結果は、開示するシステムの例示的な実施で測定および処理した。ここで、たとえば、5MHzおよび約80%FBWで動作するフィリップス(Philips)L7-4線形アレイを使用してエコーを記録した。単一の素子上で行われた伝送およびエコーは、同じ素子上で受信した。仰角のレンズ化を除いて、方位の集束はなかった。エコーは、骨の外周の周りで0.5度ごとに記録した。ここで、1組の伝送角度を深さに関して分離し、エコーを拡大した。この鏡面成分は、ほぼ一定であり、角度の関数として相関したままであり、レイリー成分は、角度の関数として急速に変動し、非相関になることを観察した。また、鏡面成分は、角度の関数としてパターンを形成することを観察した。これらの観察が、開示する技術の主要な態様であった。パターンは、たとえば、図6Bに示すように、超音波エコーの鏡面成分に整合したり、しなかったりする。

すべての骨、たとえば大腿骨および脛骨は、骨の長さにわたって固有の横断面パターンを有する。図7Aおよび図7Bは、ヒト大腿骨に対する例示的な放射状パターンを示し、図7Cは、ヒト脛骨に対する例示的な放射状パターンを示し、これらのパターンは、たとえば、両方の骨のCT体積から取得したものである。ここで、骨を通ってその長さに沿って横断面スライスの質量中心まで測定される半径を、360度に及ぶ64個の角度に対して定量化した。加えて、大腿骨に関して図7Dおよび脛骨に関して図7Eに示すように、長さの関数として骨の対応する外周(元の図で内側に示された周囲)を定量化した。いくつかの領域は、特に膝関節付近で、他の領域より急速に変化する外周を有することが観察された。これらの領域内では、横断面パターンは、最も影響を受けやすく、骨の追跡にとって特徴が豊富である。

パターンは、たとえば骨の高分解能のコンピュータ断層撮影(CT)画像から判定されるように、骨を断層撮影によって撮像する任意の手段から判定されたパターンのライブラリに整合させることができる。開示する方法は、骨の上の一つ以上の点でサンプリングされた骨からの鏡面の音響エコーパターンを、アレイ幾何形状に応じてサンプリングされたパターンのライブラリに整合させるプロセスを含み、たとえば、このプロセスを用いて、パターンを整合させて骨のトポグラフィを整合させ、したがって空間内の固定点に対するトランスデューサの位置に応じて、6DoF座標空間内の骨の姿勢を推定することができる。この方法は、音波スペックルが、超音波画像間の相関を使用して追跡されるランダム散乱によるため、「スペックル追跡」ではないことに留意することが重要である。「鏡面」および「スペックル」は、異なるエコー特性を指す。

受信した無線周波(RF)エコー内に存在する振幅および位相情報に信号処理を適用して、剛体骨情報を含む3次元ライブラリから自動的に生成されたパターンに対するパターン整合を判定する。パターン整合は、エコーサンプル内の情報をライブラリから生成されたパターンに統計的に相関させることによって実現することができる。パターン整合を可変の音速に対して頑強にするために、各パターンサンプル上にペナルティ項を配置することができる。トランスデューサと骨表面との間の組織タイプに関する情報、たとえば超音波断層撮影から取得したまたはMRI緩和時間情報もしくはCTハウンスフィールド単位情報から推論した音速情報を使用して、より精密な整合のために、パターン整合アルゴリズムに通知することができる。例示的なアルゴリズムは、それだけに限定されるものではないが、線形交差相関、円形交差相関、和-絶対-差分(SAD)、線形回帰、非線形回帰、1次統計、2次統計、高次統計、フーリエ変換、メラン変換、フーリエ-メラン変換、ラドン変換、ハンケル変換、固有値分解、放射対称変換、特異値分解、擬似逆行列(たとえば、一般逆行列、ムーア-ペンローズの逆行列など)、逆行列、ピボット変換、直交変換、ウェーブレット、ウェーブレット変換、整合フィルタ、ヒルベルト変換、FIRフィルタ、IIRフィルタ、非線形フィルタ、補間器、およびこれらの組合せを含むことができる。アルゴリズムは、エコー内に含まれる振幅、位相、または振幅と位相の両方の情報に関して動作することができる。

アルゴリズムへの入力は、それだけに限定されるものではないが、幾何学的投影(たとえば、レイトレーシング)を通して検索可能な追跡中の骨に関する3次元情報、トランスデューサ位置に関する6DoF座標情報、結合媒体の音速および軟組織を通る予期される音速に関する事前情報、音響エコーに関するタイミング情報、音響エコーに関する振幅スケーリング情報、ならびに各音響エコーに対応する伝送波形情報のライブラリを含む。

アルゴリズムからの出力は、それだけに限定されるものではないが、追跡中の骨の推定される6DoF座標、パターン整合の一つ以上の信頼性インジケータ、推定される6DoF座標における不確実性の一つ以上の推定値、ならびに各トランスデューサの軸に沿った組織および骨の速度および加速度の推定値を含む。

いくつかの実施形態では、たとえば、アルゴリズムはまた、アレイおよび骨の動きの物理的性質をモデル化するカルマンフィルタを含むことができる。前述したパラメータに加えて、カルマンフィルタの必要とされる入力および出力も含まれる。

いくつかの実施形態では、たとえば、アルゴリズムはまた、最急降下法または類似の最適化手法を使用して場合により数百万個のパターンを効率的に検索するオプティマイザを含むことができる。

骨追跡に対する一つの例示的な手法では、アルゴリズムは、いくつかのパラメータを同時に最適化しようとするプロセスを含むことができる。図8Aは、骨を含む軟組織を通ってエコーを伝送および受信する二つのトランスデューサ800Aおよび800Bの簡単な構成を示す図である。例示の目的で、トランスデューサ800Aおよび800Bは、互いに対して180度で配置されているが、この概念は、任意の複数の角度で位置する複数対のトランスデューサにも容易に拡張される。トランスデューサの放射開口の中心間の距離が、d₁によって与えられており、これは、唯一の既知量である。左のトランスデューサから骨までの距離は、d₃=c₃τ₃によって与えられ、右のトランスデューサから骨の上の異なる点までの距離は、d₄=c₄τ₄によって与えられ、ここで、c₃およびc₄は、それぞれの平均音速であり、τ₃およびτ₄は、3D骨モデルに対するエコーパターン整合によって推定される骨までのそれぞれのエコー時間である。距離d₂は、3D骨モデルに対するエコーパターン整合によって判定される骨の測定された厚さである。等式d₁=d₂+d₃+d₄は、未知の音速パラメータc₃およびc₄が推定されるような距離の保存性を構成する。加えて、d₂が剛体モデルから判定され、d₁が厳密に知られているとき、d₁-d₂は、剛体の距離であり、d₃+d₄は、厳密には知られていないが、剛体量としてともに得られる。したがって、最適化コスト関数内で、剛体量d₁-d₂からのd₃+d₄の推定される和の逸脱にペナルティを割り当てることができ、したがって、増大する逸脱には、線形または非線形に増大するペナルティが割り当てられる。d₃+d₄はまた、それぞれc₃およびc₄の関数であるため、線形または非線形のペナルティは、c₃およびc₄上で評価することができ、総コスト関数内に含まれる。たとえば、平均音速が、1542m/秒であることが知られており、現在のエコーパターン整合が、1538m/秒の音速を必要とする場合、4m/秒の差に関して、この差の線形または非線形の関数として、ペナルティが評価される。また、距離の保存性のため、d₃の変化は、d₄に等しいが逆の変化を引き起こすことが分かった。この仮定は、1ミリ秒以下の非常に短い時間尺度に対して特に当てはまり、骨の動きは、1mmの範囲内に制限される可能性が高い。したがって、アレイが骨を少なくとも180度取り囲む開示する方法は、骨に対するアレイの独立した動きに対して特に頑強である。開示するアルゴリズムは、たとえば、任意の数の対のトランスデューサまたは音響ビームに拡張することができ、各トランスデューサもしくはビームまたは1群のトランスデューサもしくは1群のビームは、図8Bに示すように、それ自体の目的関数を有する。ここで、目標は、N個の対に対してf_nを最小にすることである。また、f_nは、パターン整合アルゴリズムから推定される骨の6DoF座標の関数であることが分かる。頑強性は、トランスデューサまたはビームの数が増大するにつれて増大する。この方法は、トランスデューサまたはビームの対に厳密に限定されるものではないが、好ましい実施形態は、各対間の角度が180度である対向する対の集まりからなる。

いくつかの実施形態では、たとえば、開示するアルゴリズムは、次のとおりである。記録されたエコーが処理され、一つ以上のパターン整合アルゴリズムが、関心骨の3Dモデルに鏡面のエコーパターンを大まかに整合して、1組の目的関数を初期化する。この初期整合中、組織の音速は、何らかの値、たとえば1540m/秒であると仮定される。目的関数が初期化された状態で、多変量オプティマイザが、各対のトランスデューサ素子間の既知の距離を除いてすべてのパラメータを変動させることによって、3Dモデルに対する最良適合を判定する。各反復で、オプティマイザは、制約付きの1組の6DoF座標に対して3Dモデルの検索を洗練して、一つ以上のペナルティ項(図7Bには示さないが、上述)、たとえば音速に関するペナルティを含むことができる1組の目的関数を最小にする。オプティマイザはまた、組織と骨の境界面の推定される位置付近の音響エコーから測定された速度および加速度などの追加の入力を組み込むことができる。オプティマイザはまた、外部から追跡される音響構造の実時間で推定された速度および加速度からの入力を組み込むことができる。オプティマイザはまた、複数の速度および加速度の入力をフィルタリングして、フィルタリングされたそれぞれの速度および加速度をもたらすカルマンフィルタからの出力を組み込むことができる。各反復で、アルゴリズムは、それだけに限定されるものではないが、骨の推定される6DoF座標、パターン整合メトリクス、目的関数値、ペナルティ推定値、ならびに推定される速度および加速度を含むパラメータを出力する。

本技術の一つの例示的な応用例は、それだけに限定されるものではないが、全膝関節形成術(TKA)および全膝関節置換(TKR)を含む膝のコンピュータ支援手術(CAS)中に、脚の脛骨および大腿骨を追跡することである。現在の現況技術のTKAおよびTKRでは、外部の光学追跡装置を使用して脛骨と大腿骨の両方を厳密に追跡するために、両方の骨に位置合わせ棒を手術的に配置する必要がある。位置合わせ棒を配置するために、皮膚に小さい切開が行われ、骨の中に孔が開けられ、この孔の中に棒がねじ込まれる。この処置は侵襲的であり、皮膚に醜い瘢痕を残す。この処置は場合により、特に高齢の患者の場合、骨の完全性を損なう。これは感染を起こしやすい箇所であり、手術後の合併症を招く可能性がある。開示するシステムは、この侵襲的な追跡を本明細書に記載する非侵襲的な追跡に置き換えると考えられる。図3Cは、片脚にトランスデューサの二つのアレイを用いる例示的な実施形態を示し、脛骨の追跡用および大腿骨の追跡用の二つの音響トランスデューサアレイ構造体110を脚に取り付けることを含む。

「Anthropometric Reference Data for Children and Adults」、米国、2003から2006年、National Health Statistics Reports、No. 10、2008年10月22日、1から45頁によれば、最大のふくらはぎ外周は、すべての年齢および人種にわたって直径約48cmまたは15cmであり、最大の中大腿部外周は、すべての年齢および人種にわたって直径約70cmまたは22cmである。したがって、固定された直径15cmのアレイは、母集団の大部分に対して膝のすぐ上で脚を収容し、母集団の大部分のふくらはぎおよび膝にわたって摺動するのに十分に大きい。そのようなアレイは、5MHz近傍の中心周波数で好ましく動作するはずである。

いくつかの実施形態では、たとえば、音響エコーは、臨床用超音波スキャナ上に超音波エコーが表示される場合に類似して、モニタ上に表示される。エコーは、RFエコーとして生のフォーマットで、またはログ圧縮振幅（log compressed amplitude）もしくはBモードの画像としてグレースケールで表示することができる。パターン整合は、エコー上に重ねることができ、したがって使用者は、位置決めおよびパターン整合を観察することができる。追跡中の骨の3次元描画はまた、使用者が身体部分を動かすときに実時間で表示することができる。

いくつかの実施形態では、たとえば、プロセッサ、ディスプレイ、デジタル通信手段、ならびに音響伝送用の電子機器、音響エコーの受信用の電子機器、および音響エコーの記録および記憶用の電子機器を含む非一過性コンピュータ可読媒体上で、音響伝送、受信、エコー処理、および出力通信の協働が行われる。

開示する技術に関する追加の情報は、「OTSシステムの特有の例」という項目の本文献の後のセクションで記載する。

例
以下の例は、本技術のいくつかの実施形態の例示である。以下に挙げる例の前、または以下に挙げる例の後に、本技術の他の例示的な実施形態を提示することができる。

本技術の一例(例1)では、音響式整形外科的追跡システムは、生物被検体の身体部分に連結するように湾曲した形状を有する支持フレーム、および湾曲した支持フレーム上に配置されたトランスデューサ素子のアレイを含むように構築された音響プローブデバイスであって、トランスデューサ素子のアレイが、身体部分内の整形外科的構造の標的体積の方へ音響波形を伝送し、整形外科的構造の標的体積の少なくとも一部から戻る戻り音響波形を受信するように動作可能である、音響プローブデバイスと、トランスデューサ素子のアレイに連結された音響結合構成要素であって、トランスデューサ素子と、音響結合構成要素に接触しているときの生物被検体の身体部分と、の間で音響波形を伝えるように動作可能な音響結合構成要素と、音響プローブデバイスと通信する信号生成および処理デバイスであって、(i)伝送および受信用電子機器(TRE)ユニットおよび(ii)データ処理ユニットを含むように構築され、データ処理ユニットが、データを記憶するメモリおよびデータを処理するようにメモリに接続されたプロセッサを含み、TREユニットが、データ処理ユニットと通信する波形生成器、および波形生成器と通信して、データ処理ユニットによって波形生成器を介して提供される波形情報に応じて一つ以上の波形を生成する一つ以上の波形合成器を含み、伝送可能な音響波形が、信号生成および処理デバイスによって生成される一つ以上の波形に対応する、信号生成および処理デバイスと、信号生成および処理デバイスと通信する位置追跡デバイスであって、音響プローブデバイスのトランスデューサ素子の位置を追跡するように動作可能な位置追跡デバイスとを含み、データ処理ユニットが、受信した戻り音響波形を処理して、標的体積の少なくとも一部からの情報を含むデータセットを生成するように動作可能であり、この情報が、身体部分の整形外科的構造の6DoFによる位置座標、姿勢、または運動の少なくとも一つを含む。

例2は、データ処理ユニットが、手術システムと通信し、生成したデータセットを手術システムへ伝達するように動作可能であり、それにより手術システムが、データセット内に含まれる情報に基づいて、整形外科的構造上で動作または処置を実行することができる、例1のシステムを含む。

例3は、位置追跡デバイスが、カメラ、電荷結合デバイス(CCD)を含む画像センサ、または発光ダイオード(LED)の一つ以上を含む光センサを含む、例1のシステムを含む。

例4は、音響結合構成要素が、一つ以上の重合可能材料を含むヒドロゲルを含み、一つ以上の重合可能材料が、ヒドロゲル内に水性流体を閉じ込めるように構築されたネットワークを形成し、ヒドロゲルが、身体部分の外面およびトランスデューサ素子に適合するように構築され、音響結合構成要素が身体部分の外面に接触しているとき、音響結合構成要素が、受信媒体と音響信号トランスデューサ素子との間に音響インピーダンス整合を提供する、例1のシステムを含む。

例5は、ヒドロゲルが、身体部分と共形となり表面に完全に接触するように構築され、音響結合構成要素と身体部分との間に空気または空隙の集まりが形成されない、例4のシステムを含む。

例6は、TREユニットが、音響プローブデバイスのトランスデューサ素子のアレイによって受信した戻り音響波形を、標的体積の少なくとも一部の情報を含む受信波形として、アナログ方式からデジタル方式に変換するアナログ-デジタル(A/D)変換器のアレイと、一つ以上の波形合成器と通信して、伝送のために音響プローブデバイスに提供された波形を修正する一つ以上の増幅器と、音響プローブデバイスおよびA/D変換器のアレイと通信して、A/D変換器に提供された受信した戻り音響波形を修正する一つ以上の前置増幅器とを含む、例1のシステムを含む。

例7は、音響プローブデバイスが、信号生成および処理デバイスのTREユニットに接続可能な信号インターフェースモジュールを含み、信号インターフェースモジュールが、トランスデューサ素子のアレイと通信して、波形を対応する音響波形に変換するアレイの一つ以上の変換素子を選択し、戻り音響波形を受信するアレイの一つ以上の変換素子を選択する多重化ユニットを含む、例1のシステムを含む。

例8は、信号生成および処理デバイスが、任意の波形を生成するように動作可能であり、任意の波形が、数学的に記述可能な任意の波形を含む、例1のシステムを含む。

例9は、任意の波形が、矩形パルス、三角パルス、衝撃パルス、ガウス形パルス、正弦波パルス、シンクパルス、メキシコ帽型ウェーブレットパルス、ハールウェーブレットパルス、線形FMチャープパルス、双曲線FMチャープパルス、コード化パルス、2進コード化パルス、3進コード化パルス、位相コード化パルス、相補2進コード化パルス、振幅コード化パルス、位相および振幅コード化パルス、周波数コード化パルス、ステップ正弦波パルス、成形スペクトルパルス、またはこれらの組合せの一つ以上を含む、例8のシステムを含む。

例10は、信号生成および処理デバイスが、任意の波形を任意に遅延、アポダイズ、ステアリング、およびビーム形成するように動作可能である、例8のシステムを含む。

例11は、信号生成および処理デバイスが、波形情報に応じて一つ以上の波形合成器によって生成された一つ以上の周波数帯域に対応する個別直交コード化波形の二つ以上を含む合成波形を生成するように動作可能であり、個別直交コード化波形が、互いに相互に直交し、異なる周波数帯域に対応し、それにより各個別直交コード化波形が、対応する位相を有する固有の周波数を含む、例1のシステムを含む。

例12は、各個別直交コード化波形が、それぞれ個別に振幅加重および個別に位相加重された複数の振幅および複数の位相を含む、例11のシステムを含む。

例13は、信号生成および処理デバイスが、各個別直交コード化波形の周波数帯域、振幅、時間帯域幅積パラメータ、および位相パラメータを判定するように動作可能である、例11のシステムを含む。

例14は、位相パラメータが、1組の擬似乱数または1組の決定論的数から判定される、例13のシステムを含む。

例15は、標的体積が、生物被検体の組織構造を含み、プローブデバイスの成形部分が、生物被検体の身体部分に接触する、例1のシステムを含む。

例16は、身体部分が、腹部、胸部、咽喉を含む頸部、腕、脚、膝関節、股関節、足関節、肘関節、肩関節、手関節、胸部、生殖器、または頭蓋を含む頭部を含む、例15のシステムを含む。

例17は、生物構造が、癌性もしくは非癌性の腫瘍、内部損傷、結合組織の捻挫、組織断裂、または骨を含む、例15のシステムを含む。

本技術の一例(例18)では、音響波形を使用して整形外科データを生成する方法は、音響プローブデバイスのアレイ内の複数の音響トランスデューサ素子から、音響プローブデバイスが接触している生物被検体の身体部分の整形外科的構造の標的体積の方へ、音響信号を伝送するステップと、標的体積の少なくとも一部から戻る音響エコーをトランスデューサ素子の一つ以上で受信するステップであって、受信した音響エコーが、伝送された音響信号に対応する少なくともいくつかの波形成分を含む、受信するステップと、音響信号の伝送および音響エコーの受信中に音響プローブデバイスの音響トランスデューサ素子の位置を判定するステップと、軟組織および骨の一つまたは両方を含む整形外科的構造からの戻り音響エコーに対応する空間情報を生成するように、受信した音響エコーを処理するステップであって、整形外科的構造の組織と骨の境界面から戻った音響エコーに関連する固有の鏡面パターンデータを含むエコーサインを判定することを含む、処理するステップと、整形外科的構造からの空間情報に基づいて、音響トランスデューサ素子の判定した位置を使用してサンプルパターンと定量的に比較することによって、6DoF座標空間内の整形外科的構造の位置もしくは姿勢、または両方を判定するステップとを含む。

例19は、整形外科的構造からの空間情報に基づいて、音響トランスデューサ素子の判定した位置を使用してサンプルパターンと定量的に比較することによって、6DoF座標空間内の整形外科的構造の骨のトポグラフィを判定するステップを含む、例18の方法を含む。

例20は、音響トランスデューサ素子の位置を判定するステップが、3次元空間内の固定点に対するトランスデューサ素子の位置を判定することを含む、例18の方法を含む。

例21は、音響信号を伝送するステップが、連続して一度に一つずつ、同時に、または時間差もしくは時間遅延パターンで伝送することを含む、例18の方法を含む。

例22は、受信した戻り音響波形を処理するステップが、整形外科的構造の軟組織および骨からの空間情報に対応して音響エコーを増幅、フィルタリング、およびデジタルサンプリングすることと、空間情報をデータとして記憶することとを含む、例18の方法を含む。

例23は、固有の鏡面パターンデータが、サンプリングされた空間情報に対する骨の長さにわたって横断面パターンを含む、例18の方法を含む。

例24は、生成された空間情報が、整形外科的構造からの音響エコーに対応するスペクトル情報を含む、例18の方法を含む。

例25は、データセット内の整形外科的構造の位置および/または姿勢を、データセット内に含まれる情報に基づいて整形外科的構造上で動作または処置を実行するように動作可能な手術システムへ提供するステップをさらに含む、例18の方法を含む。

例26は、データセットを手術システムへ提供するステップが、手術システムによる動作または処置中の生物被検体との間の音響信号の伝送および音響エコーの受信を含む方法の実施中に、データセットを手術処置へ実時間で伝達することを含む、例25の方法を含む。

本技術の一例(例27)では、音響式整形外科的追跡デバイスは、生物被検体の身体部分に連結するように湾曲した形状を有する支持フレーム、および湾曲した支持フレーム上に配置されたトランスデューサ素子のアレイを含む音響プローブであって、トランスデューサ素子が、身体部分内の整形外科的構造の標的体積の方へ音響波形を伝送し、整形外科的構造の標的体積の少なくとも一部から戻る音響エコーを受信するように動作可能である、音響プローブと、トランスデューサ素子のアレイに連結された音響結合媒体であって、トランスデューサ素子と音響結合媒体に接触しているときの生物被検体の身体部分との間で音響波形を伝えるように動作可能な音響結合媒体と、トランスデューサ素子と通信する信号生成および処理ユニットであって、ハウジング、ハウジング内に配置された伝送および受信用電子機器(TRE)ユニット、およびハウジング内に配置されたデータ処理ユニットを含むように構築され、データ処理ユニットが、データを記憶するメモリおよびデータを処理するようにメモリに接続されたプロセッサを含み、TREユニットが、データ処理ユニットと通信する波形生成器、および波形生成器と通信して、データ処理ユニットによって波形生成器を介して提供される波形情報に応じて一つ以上の波形を生成する一つ以上の波形合成器を含む、信号生成および処理ユニットとを含み、音響波形が、信号生成および処理ユニットによって生成される一つ以上の波形に対応し、戻り音響エコーが、伝送音響波形に対応する少なくともいくつかの波形成分を含み、データ処理ユニットが、戻り音響エコーを処理して、整形外科的構造の組織と骨の境界面から戻った音響エコーに関連する鏡面パターンデータを識別することによって、軟組織および骨の一つまたは両方を含む整形外科的構造からの音響エコーに対応する空間情報を生成し、整形外科的構造からの空間情報に基づいて、音響プローブの伝送および受信動作中にトランスデューサ素子の位置データを使用してサンプルパターンと定量的に比較することによって、6DoF座標空間内の整形外科的構造の位置もしくは姿勢、または両方を判定するように構成される。

例28は、信号生成および処理ユニットが、音響プローブの伝送および受信動作中に信号生成および処理ユニットと通信して、音響プローブデバイスのトランスデューサ素子の位置を追跡する位置追跡デバイスから位置データを受信するように動作可能である、例27のデバイスを含む。

例29は、データ処理ユニットが、身体部分の整形外科的構造の判定された6DoF座標空間内の位置、姿勢、または位置および姿勢を含むデータセットを生成するように動作可能である、例27のデバイスを含む。

例30は、データ処理ユニットが、手術システムと通信し、生成したデータセットを手術システムへ伝達するように動作可能であり、それにより手術システムが、データセット内に含まれる情報に基づいて、整形外科的構造上で動作または処置を実行することができる、例29のデバイスを含む。

例31は、音響結合媒体が、一つ以上の重合可能材料を含むヒドロゲルを含み、一つ以上の重合可能材料が、ヒドロゲル内に水性流体を閉じ込めるように構築されたネットワークを形成し、ヒドロゲルが、身体部分の外面およびトランスデューサ素子に適合するように構築され、音響結合媒体が身体部分の外面に接触しているとき、音響結合媒体が、身体部分と音響信号トランスデューサ素子との間に音響インピーダンス整合を提供する、例27のデバイスを含む。

例32は、TREユニットが、トランスデューサ素子のアレイによって受信した戻り音響エコーを、標的体積の少なくとも一部の情報を含む受信波形として、アナログ方式からデジタル方式に変換するアナログ-デジタル(A/D)変換器のアレイと、一つ以上の波形合成器と通信して、伝送のために音響プローブに提供された波形を修正する一つ以上の増幅器と、音響プローブおよびA/D変換器のアレイと通信して、A/D変換器に提供された戻り音響エコーを修正する一つ以上の前置増幅器とを含む、例27のデバイスを含む。

例33は、音響プローブが、信号生成および処理ユニットのTREユニットに接続可能な信号インターフェースモジュールを含み、信号インターフェースモジュールが、トランスデューサ素子のアレイと通信して、波形を対応する音響波形に変換するアレイの一つ以上の変換素子を選択し、戻り音響エコーを受信するアレイの一つ以上の変換素子を選択する多重化ユニットを含む、例27のデバイスを含む。

例34は、信号生成および処理ユニットが、任意の波形を生成するように動作可能であり、任意の波形が、数学的に記述可能な任意の波形を含む、例27のデバイスを含む。

例35は、任意の波形が、矩形パルス、三角パルス、衝撃パルス、ガウス形パルス、正弦波パルス、シンクパルス、メキシコ帽型ウェーブレットパルス、ハールウェーブレットパルス、線形FMチャープパルス、双曲線FMチャープパルス、コード化パルス、2進コード化パルス、3進コード化パルス、位相コード化パルス、相補2進コード化パルス、振幅コード化パルス、位相および振幅コード化パルス、周波数コード化パルス、ステップ正弦波パルス、成形スペクトルパルス、またはこれらの組合せの一つ以上を含む、例34のデバイスを含む。

例36は、信号生成および処理ユニットが、任意の波形をビーム形成およびステアリングするように動作可能である、例34のデバイスを含む。

例37は、信号生成および処理ユニットが、波形情報に応じて一つ以上の波形合成器によって生成された一つ以上の周波数帯域に対応する個別直交コード化波形の二つ以上を含む合成波形を生成するように動作可能であり、個別直交コード化波形が、互いに相互に直交し、異なる周波数帯域に対応し、それにより各個別直交コード化波形が、対応する位相を有する固有の周波数を含む、例27のデバイスを含む。

例38は、各個別直交コード化波形が、それぞれ個別に振幅加重および個別に位相加重された複数の振幅および複数の位相を含む、例37のデバイスを含む。

例39は、信号生成および処理ユニットが、各個別直交コード化波形の周波数帯域、振幅、時間帯域幅積パラメータ、および位相パラメータを判定するように動作可能である、例37のデバイスを含む。

例40は、位相パラメータが、1組の擬似乱数または1組の決定論的数から判定される、例39のデバイスを含む。

例41は、音響式整形外科的追跡システム内で使用するための断層撮影アレイに関し、断層撮影アレイは、軟組織と標的骨の両方を含む関心被検体の周りに位置決めされるように構成可能な湾曲したアレイを形成するように配置された複数のトランスデューサ素子を含み、各トランスデューサ素子は、音波を伝送および受信することが可能であり、各トランスデューサ素子は、高さ、幅を有し、隣接する素子から距離をあけて位置決めされる。断層撮影アレイはまた、複数のトランスデューサ素子と関心被検体との間に音響信号伝送インターフェースを形成する音響カプラを含む。

例42は、各トランスデューサ素子が、関心被検体との間で音響信号を伝送または受信するために独立してアドレス可能である構成に関する。

例43は、断層撮影アレイが、特定の波長を含む音波とともに動作可能であり、各トランスデューサ素子が、隣接する素子から特定の波長の0.5から2倍の範囲内の距離をあけて位置決めされる構成に関する。この例では、音波は、波長範囲を含むことができ、隣接する素子間の距離は、この波長範囲から選択されまたは選ばれた波長の0.5から2倍の範囲内になるように選択することができる。

例44は、断層撮影アレイが、第1の音響信号の伝送のために連続する第1の組のトランスデューサ素子が励磁されることを可能にするように構成される構成に関する。

例45は、音響信号の焦点が、連続する第1の組のトランスデューサ素子が及ぶ弧長および角度によって形成される扇形内に位置決めされる構成に関する。

例46は、断層撮影アレイが、第2の音響信号の伝送のために連続する第2の組の複数のトランスデューサ素子が励磁されることを可能にするように構成される構成に関する。

例47は、第1の組および第2の組が、少なくとも一つの共通のトランスデューサ素子を有する構成に関する。

例48は、断層撮影アレイが、複数のトランスデューサ素子からの第1の組のトランスデューサ素子を含む受信開口と、複数のトランスデューサ素子からの第2の組のトランスデューサ素子を含む伝送開口とを含むように構成され、受信開口が、伝送開口以上であり、伝送開口が、受信開口内に完全に位置決めされる構成に関する。

例49は、断層撮影アレイが、重複しないトランスデューサ素子を含むように断層撮影アレイ内に位置決めされた第1および第2の開口を含むように構成され、各開口が、音響信号の受信と伝送の両方を行うことが可能であり、第1の開口が、第1の数のトランスデューサ素子を含み、第2の開口が、第2の数のトランスデューサ素子を含み、第1の数および第2の数が、第1および第2の開口のそれぞれに対して関心被検体(たとえば、標的骨)の表面で同じF数を維持するように選択されている構成に関する。

例50は、断層撮影アレイが、第1の伝送開口および第1の受信開口を含むように構成され、第1の受信開口が、第1の伝送開口の位相中心から離れて90度と-90度との間に位置決めされる構成に関する。

例51は、撮像システム内で音響信号を伝送および受信する方法に関し、撮像システムは、軟組織と標的骨の両方を含む関心被検体の周りに位置決めされるように構成可能な湾曲したアレイを形成するように配置された複数のトランスデューサ素子を含む。そのような方法は、音響信号を関心被検体へ伝送する伝送開口を形成する第1の組のトランスデューサ素子を励磁するステップと、関心被検体との相互作用後、受信開口を形成する第2の組のトランスデューサ素子で、伝送された音響信号の少なくとも一部分を受信するステップとを含む。第1の組のトランスデューサ素子は、少なくとも一つのトランスデューサ素子を含み、第2の組のトランスデューサ素子は、介在するトランスデューサ素子なく、それぞれ隣接するトランスデューサ素子から距離をあけて分離された複数の連続するトランスデューサ素子を含む。

例52は、第1の組のトランスデューサ素子を励磁するステップに関し、励磁するステップは、第1の組のトランスデューサ素子内の複数のトランスデューサ素子が及ぶ弧長および角度によって形成される扇形内に位置決めされた焦点を有する第1の音響信号を形成することを含む。

例53は、第1の組と共通の少なくとも一つのトランスデューサ素子を有する第3の組のトランスデューサ素子を使用して第2の音響信号を形成するステップに関する。

例54は、受信開口が伝送開口以上であり、伝送開口が、複数のトランスデューサ素子によって形成される弧上で受信開口内に完全に位置決めされるシナリオに関する。

例55は、第1の組および第2の組のトランスデューサ素子が、共通のトランスデューサ素子をもたず、第1の組および第2の組のトランスデューサ素子がそれぞれ、受信開口または伝送開口として動作し、第1の組および第2の組のトランスデューサ素子が、第1の組および第2の組のトランスデューサ素子によって形成される開口に対して関心被検体(たとえば、標的骨)の表面で同じF数を維持するように選択されるシナリオに関する。

例56は、第3の組のトランスデューサ素子を励磁して別の音響信号を伝送するステップと、第3の組のトランスデューサ素子によって生成される音響信号と関心被検体との相互作用により生成される音響信号の少なくとも一部分を受信するステップとを含む。

例57は、異なる組のトランスデューサ素子を繰返し励磁するステップと、複数のトランスデューサ素子がすべて少なくとも一度ずつ励磁されるまで、音波と関心被検体との相互作用の結果として生成される音響信号を受信するステップとを含む。

例58は、各反復で、異なる組のトランスデューサ素子が、ランダム選択パターンで選択されるシナリオに関する。

例59は、各反復で、異なる組の連続するトランスデューサ素子が選択されるシナリオに関する。

例60は、各反復で、異なる組の連続しないトランスデューサ素子が選択されるシナリオに関する。

例61は、各反復が、互いから時間的に分離された二つ以上の音響信号を伝送することと、それに続いて時間的に分離された二つ以上の音響信号を受信することとを含むシナリオに関する。

例62は、すべてのトランスデューサ素子に対してアドレス可能な一つの伝送チャネルと、すべてのトランスデューサ素子に対してアドレス可能な一つの受信チャネルとを備える例43のデバイスを含む。

例63は、伝送素子が複数の素子から選択され、受信素子が、所与の伝送に対する伝送素子と同じになるように選択される、例62に関する。

例64は、すべてのトランスデューサ素子に対してアドレス可能な一つの伝送チャネルと、すべてのトランスデューサ素子に対してアドレス可能な二つの受信チャネルとを備える例43のデバイスを含む。

例65は、伝送素子が、複数のトランスデューサ素子から選択され、一つの受信素子が、所与の伝送に対する伝送素子と同じになるように選択され、第2の受信素子が、間に素子を挟まない隣接素子になるように選択される、例64に関する。

例66は、トランスデューサ素子が、連続してインデックス化され、一つの受信チャネルが、偶数のトランスデューサ素子インデックスに対してアドレス可能であり、他の受信チャネルが、奇数のトランスデューサ素子インデックスに対してアドレス可能である、例64に関する。

OTSシステムの特有の例
開示する音響式整形外科的追跡システム(OTS)は、整形外科手術前および整形外科手術中に正確な適時の6DoF骨位置を提供することによって、たとえば双方向の整形外科手術のためのロボットアームなどの手術システムを増強するために使用することができる。開示する音響OTS技術は、非撮像データ(たとえば、レンジドップラ測定)を提供することができ、追加または別法として、撮像データを提供することができる。開示する音響OTSによって与えられる利点のため、開示するシステムは、少なくとも部分的に、典型的には患者の大腿骨および脛骨にピンで留めたLED電気光学追跡装置を利用する現在の追跡システムに取って代わることが考えられる。

いくつかの実施では、開示する音響OTSは、ヒト大腿骨および脛骨の標的に対する手術中に相対位置データによる第3者手術ナビゲーションシステム(3PSNS)を提供することができる。開示する音響OTSのこの例示的な実施は、ヒト大腿骨および脛骨に適用可能であり、このシステムはまた、他の整形外科的な解剖学的特徴および構造、たとえば他の人間または動物の骨標的に対する順応を特徴付けるように設計される。

いくつかの実施形態では、たとえば、開示する音響OTSは、超音波信号データを伝送および受信することができる位置および角位置に超音波トランスデューサのアレイを含み、これらの位置および角位置は、たとえば電気光学SNSなどの3D位置追跡システムによって同時に追跡することができる。位置データは、ロボット支援整形外科手術のために追跡すべき骨の3Dモデルに登録された座標系を参照することができる。いくつかの実施では、たとえば、3D骨モデルは、外科手術の前にCTスキャンまたは他の3D撮像モダリティによって手術計画プロセスの一部として準備することができる。

図9は、例示的な3PSNSシステム構成要素と一体化された開示する音響OTSシステムを示す。図9に示す例では、例示的なOTS超音波トランスデューサアレイは、患者の骨の位置を監視するために、患者の脚の皮膚の外面に取り付けられる。OTSは、位置および角度基準データを例示的な電気光学SNSに提供し、3PSNSが患者の骨の座標系に対する3PSNS光学アレイの位置を判定することを可能にする。

図10Aは、OTSが任意の点Pおよびその関連する座標系(x₁、y₁、z₁)を獲得する時間t=0における、患者の骨の座標系(x₁、y₁、z₁)と、例示的なOTS超音波トランスデューサアレイの座標系(x₂、y₂、およびz₂)と、例示的な3PSNS光学アレイの座標系(x₃、y₃、およびz₃)との間の関係を示す。

たとえば、SNS光学アレイがSNS基準系に対する基準点Pの相対位置を認識している状態で、SNSは、点Pと患者の骨表面の「既知」のナビゲーション点Qとの間の位置関係を登録することができる。

たとえば、CTスキャンデータから準備された骨のソフトウェア3D固体モデルを使用して、受信した超音波信号を骨モデルと整合させ、最初の獲得後の任意の未来時間t=Tにおける骨の座標系(x₁、y₁、z₁)に対するOTS超音波アレイの座標系(x'₂、y'₂、z'₂)の位置関係を連続して判定する。このアレイは、患者の骨に固定されていないので、図10Bに示すように、骨に対するアレイのあらゆる動きが測定され、全6DoF追跡に対する角度変化を含む相対位置(x'₂、y'₂、z'₂)として3PSNSシステムに報告される。図10Bは、未来時間t=Tにおける超音波アレイの変位を示す骨追跡座標系を表す図を示す。

例示的な音響OTSは、獲得後のすべてのサンプル時間Tに対するトランスデューサアレイの座標系(x'₂、y'₂、z'₂)に対して、並進データΔR₁₂(T)と、トランスデューサの座標回転情報との両方を、3×3方向余弦マトリックス成分として、または任意の他の相互に認められる方式で提供する。何らかの理由で「追跡喪失」状態が生じた場合、OTSは、獲得モードになり、元の仮想基準点Pおよび関連する座標系を再獲得し、デジタル「追跡喪失」フラグを設定する。いくつかの実施では、たとえば、OTSが点Pを自動的に再獲得しない予想される唯一の状態は、OTSトランスデューサアレイが何らかの理由で患者の皮膚から外れた場合であろう。

OTSに対する例示的なハードウェアブロック図を、図11に示す。システムのいくつかの実施形態では、たとえば、OTSハードウェアサブシステムは、以下の素子を含むことができる。超音波トランスデューサアレイ#1および#2は、骨の表面から反射した超音波信号を伝送および受信する。Tx/Rx電子機器は、超音波伝送回路および受信前置増幅器ならびにA/D変換器を含む。トランスデューサアレイとの間でRF信号が伝達される。受信した信号は、デジタル化され、フィルタリングされて、実時間プロセッサ内へ送出される。

実時間データプロセッサ:例示的なOTSソフトウェアアーキテクチャのブロック図を図12に示す。

システム動作:以下のセクションについて、本技術の動作モード、パラメータ、および手順のシステムの一例として説明する。本技術のシステムを使用して、他の動作モード、パラメータ、および手順を実施することもできる。

例示的なモード
設定モード:設定モードは、第3者ホストシステムの操作者が、3D骨固体モデルを読み込むこと、およびアレイ較正を含む他の保守タスクを実行することを可能にする。設定モードは、3D固体モデルがシステム内へ読み込まれていないときのデフォルトモードとすることができる。

自己試験モード:自己試験は、アレイ、Tx/Rx機能、プロセッサ、およびI/Oインターフェースを含む主要なハードウェア機能を自動的に試験するようにプログラムすることができる。自己試験は、実行された各試験の結果を含む詳細な状態メッセージを含む合格/失敗表示を返す。状態メッセージは、使用される場合、保守のためにホストシステムまたは付属のコンソールへ伝送される。

手動試験モード:手動試験は、操作者が、自己試験で実行される各試験を個別に実行し、トラブルシューティングのためにより下位レベルの状態情報を取得することを可能にする。手動試験は、各トランスデューサ素子からの戻り信号ならびに6DoFデータを数字またはグラフ方式で示す図表を含む試験ダッシュボードから観察することができる測定データを提供するようにプログラムすることができる。

走行モード:走行モードは、獲得および追跡という二つのサブモードを含む。これらのサブモードについて、以下に説明する。

獲得モード:走行モードに命令されたとき、例示的な音響OTSは、獲得サブモードを開始し、それによって3D固体モデルに対する骨の横断面の整合を検索し、したがってまだ有効位置データをSTSに提供しない。このモード中、たとえばIEEE 1394インターフェースを介して、音響OTSの現在のモードおよび健康状態を示すメッセージがSTSへ連続して送られる。音響OTSが、固体モデルに対する許容できる整合を有すると判定したとき、獲得モードは完了し、OTSは3D固体モデルに登録される。

追跡モード:OTSソフトウェアは、3D固体モデルに対する十分な整合を判定した後、追跡モードに自動的に遷移し、IEEE 1394シリアルインターフェースを介してSTSへの6DoF位置データの報告を開始する。メッセージストリームは、健康状態語を含み、各フレームは、アレイに対する骨の位置の測定の有効性を示す。このメッセージは、受信した超音波信号と3D参照モデルとの相関に基づく誤差推定を含むことができる。OTSソフトウェアは、何らかの理由で3D固体モデルに十分に整合しない骨の横断面を感知した場合、自動的に獲得モードに戻り、OTSを3D固体モデルに再登録する。

アレイおよびモード選択ならびにアレイ識別:音響OTSは、システムに接続されたアレイのタイプを自動的に検出するようにプログラムすることができる。検出されたアレイタイプに対するコードは、ホストシステムへ送られる状態メッセージ内に含むことができる。

システムまたはサブシステム機能動作パラメータ
6DoF追跡:音響OTSは、ロボット支援整形外科手術のために患者の骨に登録された事前定義された座標系に対する超音波トランスデューサアレイの6DoF追跡を提供するために、3PSNSシステムのサブシステムとして使用されるようにプログラムすることができる。

6DoF追跡サンプル周波数:音響OTS追跡サンプル周波数は、1kHz以上になるようにプログラムすることができる。

6DoF追跡待ち時間:音響OTS追跡待ち時間は、3m秒未満になるようにプログラムすることができる。

6DoF追跡待ち時間ジッター:音響OTS追跡待ち時間ジッターは、ごく少量以下になるようにプログラムすることができる。

相対標的追跡速度:音響OTSは、最高50mm/秒の線速度で骨に対するトランスデューサアレイの相対位置を追跡するようにプログラムすることができる。

標的追跡範囲:音響OTSは、初期化された開始位置から±25mmの動き範囲にわたって骨に対するトランスデューサアレイの相対位置を追跡するようにプログラムすることができる。

解剖学的標的:音響OTSは、以下の解剖学的標的、たとえばヒト大腿骨およびヒト脛骨に対するトランスデューサアレイの位置を追跡することが可能になるようにプログラムすることができる。

ヒト患者母集団:OTSは、以下の表1に指定するように、第5および第95の百分位数のふくらはぎおよび中大腿部の寸法間の男性および女性のヒト患者における整形外科手術処置に対応することができる。

OTSシステムは、手足が表1に指定するサイズ範囲内である場合、20歳より若い患者に対して使用することができる。

6DoFデータ出力パラメータ:OTSは、たとえば以下の表2に定義するものなどの6DoF位置および角度パラメータを出力することが可能である。

以下の等式(A)および図13に示すように、x₂がX₂方向の単位ベクトルであり、x'₂がX'₂方向の単位ベクトルであり、以下同様であり、cos(θ_ij)が、時間Tにおけるトランスデューサアレイの角運動を記述する方向余弦マトリックスの要素である場合、次のとおりである。

上記の等式(A)で、(X₂、Y₂、Z₂)は、システムが初期化された時間t=0におけるOTSトランスデューサの座標参照であり、(X'₂、Y'₂、Z'₂)は、後の時間t=Tにおける骨に対するトランスデューサの動きによる新しいトランスデューサの角位置である。パラメータx、y、およびzは、時間t=Tにおける骨の基準系に対するトランスデューサの並進の測定値である。図13は、時間Tにおける大腿骨6DoF座標系を示す。

動作シーケンス:音響OTSは、以下の活動シーケンス(たとえば、膝関節鏡検査)で動作することができる。

例示的な手術前計画:(1)CTスキャン(または他の3D断層撮影)画像から患者の大腿骨および脛骨の3D固体モデルを準備し、(2)点Pに登録された直交右手側基準系を3D固体モデル上に割り当て(図13に示す)、(3)適当な3D骨ファントムに対してOTS超音波アレイを検証/較正する。

例示的な手術日計画:(1)患者の大腿部およびふくらはぎに膝蓋骨から適当な距離をあけて音響OTSトランスデューサアレイを取り付け、(2)音響OTSシステム電子機器を起動し、例示的な3PSNSコンソールを介してTIBおよびMI出力表示インデックスを含む状態を監視し、(3)トランスデューサが公称位置にある状態でOTSを初期化し、例示的な3PSNSコンソールを介して追跡を開始し、(4)3PSNSシステムを超音波アレイ上の空間基準点に登録し、(5)音響OTS骨追跡によって大腿骨および脛骨の皮質表面上の適当な基準位置に3PSNSシステムを登録し、(6)ロボット支援整形外科手術処置を進める。

トランスデューサアレイ:音響OTSトランスデューサアレイは、解剖学的寸法の範囲での使用にとって好適になるように構成することができる。

大腿骨アレイ
大腿骨アレイ位置:OTS大腿骨アレイは、膝関節から6から12cmの間の大腿骨皮質表面をマッピングすることが可能になるように構成することができる。

大腿骨アレイ走査区域:OTS大腿骨アレイは、外周35から75cm(直径11.1から23.9cm)の間の大腿部区域を走査することが可能になるように構成することができる。

脛骨アレイ
脛骨アレイ位置:OTS大腿骨アレイは、膝関節から6から12cmの間の脛骨皮質表面をマッピングすることが可能になるように構成することができる。

脛骨アレイ走査区域:OTS大腿骨アレイは、外周28から48cm(直径8.9から15.3cm)の間のふくらはぎ区域を走査することが可能になるように構成することができる。

他のアレイ:開示する技術は、たとえば股関節部、脊柱、および足首などの他のヒト骨のアレイを実施するために使用することができる。

出力表示基準:OTS超音波システムは、FDA Track 3デバイスとして、出力表示基準(NEMA UD 3-2004)に準拠している出力を生成することができる。

骨サーマルインデックス:OTS超音波システムは、超音波が伝送されているときは常に音響出力骨サーマルインデックス(TIB)の実時間報告を提供するように構成することができる。TIB値は、周囲の身体温度を上回る温度上昇の度数Cの推定値である。TIBは、3PSNSへ伝送されるデータメッセージ内に含むことができる。

メカニカルインデックス:OTS超音波システムは、超音波が伝送されているときは常に音響出力メカニカルインデックス(MI)の実時間報告を提供するように構成することができる。MIは、3PSNSに伝送されるデータメッセージ内に含むことができる。

トランスデューサアレイ洗浄材料:OTSトランスデューサアレイは、以下の洗浄材料、たとえば75%IPA、サイデックスプラス28(Cidex Plus 28 Day)、サイデックスOPA(Cidex OPA)、サイデザイム(Cidezyme)、クレンザイム(Klenzyme)、またはオムニサイド(Omnicide)の一つ以上に適合するように構成することができる。

本特許文献および添付の付属物に記載する主題および機能動作の実施形態は、本明細書に開示する構造およびそれらの構造的均等物またはそれらの一つ以上の組合せを含めて、様々なシステム、デジタル電子回路、またはコンピュータソフトウェア、ファームウェア、もしくはハードウェアで実施することができる。本明細書に記載の主題の実施は、一つ以上のコンピュータプログラム製品、すなわちデータ処理装置による実行またはデータ処理装置の動作の制御のために有形かつ非一過性のコンピュータ可読媒体上に符号化されたコンピュータプログラム命令の一つ以上のモジュールとして実施することができる。コンピュータ可読媒体は、機械可読記憶デバイス、機械可読記憶基板、記憶装置、機械可読伝搬信号をもたらす組成物、またはこれらの一つ以上の組合せとすることができる。「データ処理装置」という用語は、例としてプログラマブルプロセッサ、コンピュータ、または複数のプロセッサもしくはコンピュータを含むデータを処理するすべての装置、デバイス、および機械を包含する。この装置は、ハードウェアに加えて、当該コンピュータプログラムに対する実行環境を生じさせるコード、たとえばプロセッサファームウェア、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム、またはこれらの一つ以上の組合せを構成するコードを含むことができる。

コンピュータプログラム(プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、スクリプト、またはコードとしても知られている)は、コンパイラ型またはインタープリタ型言語を含む任意の形式のプログラミング言語で書くことができ、独立型プログラムを含む任意の形式で、またはモジュール、構成要素、サブルーチン、もしくは演算環境での使用に好適な他のユニットとして展開することができる。コンピュータプログラムは、必ずしもファイルシステム内のファイルに対応するとは限らない。プログラムは、他のプログラムもしくはデータを保持するファイルの一部分(たとえば、マーク付け言語文書内に記憶された一つ以上のスクリプト)内、当該プログラムに専用の単一のファイル内、または複数の統合ファイル(たとえば、一つ以上のモジュール、サブプログラム、もしくはコードの部分を記憶するファイル)内に記憶することができる。コンピュータプログラムは、一つの箇所に位置しまたは複数の箇所に分散されて通信ネットワークによって相互接続された一つのコンピュータ上または複数のコンピュータ上で実行されるように展開することができる。

本明細書に記載のプロセスおよび論理フローは、入力データ上の動作および出力の生成によって機能を実行するように一つ以上のコンピュータプログラムを実行する一つ以上のプログラマブルプロセッサによって実行することができる。プロセスおよび論理フローはまた、特別目的論理回路、たとえばFPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)またはASIC(特定用途向け集積回路)によって実行することができ、これらとして装置を実施することもできる。

コンピュータプログラムの実行に好適なプロセッサには、例として、汎用と特別目的の両方のマイクロプロセッサ、および任意の種類のデジタルコンピュータの任意の一つ以上のプロセッサが含まれる。概して、プロセッサは、読出し専用メモリもしくはランダムアクセスメモリまたは両方から命令およびデータを受信する。コンピュータの主要要素は、命令を実行するプロセッサ、ならびに命令およびデータを記憶する一つ以上の記憶装置である。概して、コンピュータはまた、データを記憶する一つ以上の大容量記憶デバイス、たとえば磁気、光磁気ディスク、もしくは光ディスクを含み、またはそのような大容量記憶デバイスとの間でデータの受信もしくは伝達、もしくはそれらの両方を行うように動作可能に結合される。しかし、コンピュータは、そのようなデバイスを有する必要はない。コンピュータプログラム命令およびデータを記憶するのに好適なコンピュータ可読媒体は、例として半導体記憶装置、たとえばEPROM、EEPROM、およびフラッシュメモリデバイスを含むすべての形式の不揮発性メモリ、媒体、および記憶装置を含む。プロセッサおよびメモリは、特別目的論理回路によって補足することができ、または特別目的論理回路内に組み込むことができる。

本特許文献および添付の付属物は、多くの詳細を含むが、これらは、本発明または特許請求の範囲に対する限定としてではなく、本発明の特定の実施形態に特有の特徴の説明として解釈されるべきである。別個の実施形態の文脈で本特許文献および添付の付属物に記載する特定の特徴はまた、単一の実施形態で組み合わせて実施することができる。逆に、単一の実施形態の文脈で記載する様々な特徴は、複数の実施形態で、別個にまたは任意の好適な部分的組合せで実施することもできる。さらに、特徴について、特定の組合せで作用するものとして上記で説明し、さらにそのように最初に請求した場合でも、請求された組合せからの一つ以上の特徴は、場合により、この組合せから削ることができ、請求された組合せは、部分的組合せまたは部分的組合せの変種を被検体とすることができる。

同様に、動作について、特定の順序で図面に示したが、これは、望ましい結果を実現するために、示されている特定の順序もしくは連続する順序でそのような動作が実行されること、またはすべての示されている動作が実行されることを必要とするものとして理解されるべきではない。さらに、本特許文献および添付の付属物に記載する実施形態における様々なシステム構成要素の分離は、すべての実施形態でそのような分離を必要とするものとして理解されるべきではない。

いくつかの実施および例のみについて記載したが、本特許文献および添付の付属物に記載および図示するものに基づいて、他の実装、強化、および変形を加えることができる。

Claims (40)

1. 生物被検体の身体部分に連結するように湾曲した形状を有する支持フレーム、および前記湾曲した支持フレーム上に配置されたトランスデューサ素子のアレイを含むように構築された音響プローブデバイスであって、前記トランスデューサ素子のアレイが、前記身体部分内の整形外科的構造の標的体積の方へ音響波形を伝送し、前記整形外科的構造の前記標的体積の少なくとも一部から戻る戻り音響波形を受信するように動作可能である、音響プローブデバイスと、
   前記トランスデューサ素子のアレイに連結された音響結合構成要素であって、前記トランスデューサ素子と、前記音響結合構成要素に接触しているときの前記生物被検体の前記身体部分と、の間で前記音響波形を伝えるように動作可能な音響結合構成要素と、
   前記音響プローブデバイスと通信する信号生成および処理デバイスであって、(i)伝送および受信用電子機器(TRE)ユニットおよび(ii)データ処理ユニットを含むように構築され、前記データ処理ユニットが、データを記憶するメモリおよびデータを処理するように前記メモリに接続されたプロセッサを含み、前記TREユニットが、前記データ処理ユニットと通信する波形生成器、および前記波形生成器と通信して、前記データ処理ユニットによって前記波形生成器を介して提供される波形情報に応じて一つ以上の波形を生成する一つ以上の波形合成器を含み、前記伝送可能な音響波形が、前記信号生成および処理デバイスによって生成される前記一つ以上の波形に対応する、信号生成および処理デバイスと、
   前記信号生成および処理デバイスと通信する位置追跡デバイスであって、前記音響プローブデバイスの前記トランスデューサ素子の位置を追跡するように動作可能な位置追跡デバイスとを備え、
   前記データ処理ユニットが、前記受信した戻り音響波形を処理して、前記標的体積の前記少なくとも一部からの前記情報を含むデータセットを生成するように動作可能であり、前記情報が、前記身体部分の前記整形外科的構造の6自由度(6DoF)による位置座標、姿勢、または運動の少なくとも一つを含む、
   音響式整形外科的追跡システム。
2. 前記データ処理ユニットは、手術システムと通信し、前記生成したデータセットを前記手術システムへ伝達するように動作可能であり、それにより前記手術システムは、前記データセット内に含まれる前記情報に基づいて、前記整形外科的構造上で動作または処置を実行することができる、請求項1に記載のシステム。
3. 前記位置追跡デバイスは、カメラ、電荷結合デバイス(CCD)を含む画像センサ、または発光ダイオード(LED)の一つ以上を含む光センサを含む、請求項1に記載のシステム。
4. 前記音響結合構成要素は、一つ以上の重合可能材料を含むヒドロゲルを含み、前記一つ以上の重合可能材料は、前記ヒドロゲル内に水性流体を閉じ込めるように構築されたネットワークを形成し、前記ヒドロゲルは、前記身体部分の外面および前記トランスデューサ素子に適合するように構築され、
   前記音響結合構成要素が前記身体部分の前記外面に接触しているとき、前記音響結合構成要素は、前記受信媒体と前記音響信号トランスデューサ素子との間に音響インピーダンス整合を提供する、請求項1に記載のシステム。
5. 前記ヒドロゲルは、前記身体部分と共形となり前記表面に完全に接触するように構築され、音響結合構成要素と前記身体部分との間に空気または空隙の集まりが形成されない、請求項4に記載のシステム。
6. 前記TREユニットは、
   前記音響プローブデバイスの前記トランスデューサ素子のアレイによって受信された前記受信した戻り音響波形を、前記標的体積の少なくとも一部の情報を含む受信波形として、アナログ方式からデジタル方式に変換するアナログ-デジタル(A/D)変換器のアレイと、
   前記一つ以上の波形合成器と通信して、伝送のために前記音響プローブデバイスに提供された前記波形を修正する一つ以上の増幅器と、
   前記音響プローブデバイスおよび前記A/D変換器のアレイと通信して、前記A/D変換器に提供された前記受信した戻り音響波形を修正する一つ以上の前置増幅器とを含む、請求項1に記載のシステム。
7. 前記音響プローブデバイスは、前記信号生成および処理デバイスの前記TREユニットに接続可能な信号インターフェースモジュールを含み、前記信号インターフェースモジュールは、前記トランスデューサ素子のアレイと通信して、前記波形を前記対応する音響波形に変換する前記アレイの一つ以上の変換素子を選択し、前記戻り音響波形を受信する前記アレイの一つ以上の変換素子を選択する多重化ユニットを含む、請求項1に記載のシステム。
8. 前記信号生成および処理デバイスは、任意の波形を生成するように動作可能であり、前記任意の波形は、数学的に記述可能な任意の波形を含む、請求項1に記載のシステム。
9. 前記任意の波形は、矩形パルス、三角パルス、衝撃パルス、ガウス形パルス、正弦波パルス、シンクパルス、メキシコ帽型ウェーブレットパルス、ハールウェーブレットパルス、線形FMチャープパルス、双曲線FMチャープパルス、コード化パルス、2進コード化パルス、3進コード化パルス、位相コード化パルス、相補2進コード化パルス、振幅コード化パルス、位相および振幅コード化パルス、周波数コード化パルス、ステップ正弦波パルス、成形スペクトルパルス、またはこれらの組合せの一つ以上を含む、請求項8に記載のシステム。
10. 前記信号生成および処理デバイスは、前記任意の波形をビーム形成およびステアリングするように動作可能である、請求項8に記載のシステム。
11. 前記信号生成および処理デバイスは、前記波形情報に応じて前記一つ以上の波形合成器によって生成された一つ以上の周波数帯域に対応する個別直交コード化波形の二つ以上を備える合成波形を生成するように動作可能であり、前記個別直交コード化波形は、互いに相互に直交し、異なる周波数帯域に対応し、それにより前記各個別直交コード化波形は、対応する位相を有する固有の周波数を含む、請求項1に記載のシステム。
12. 前記各個別直交コード化波形は、それぞれ個別に振幅加重および個別に位相加重された複数の振幅および複数の位相を含む、請求項11に記載のシステム。
13. 前記信号生成および処理デバイスは、各個別直交コード化波形の周波数帯域、振幅、時間帯域幅積パラメータ、および位相パラメータを判定するように動作可能である、請求項11に記載のシステム。
14. 前記位相パラメータは、1組の擬似乱数または1組の決定論的数から判定される、請求項13に記載のシステム。
15. 前記標的体積は、前記生物被検体の組織構造を含み、前記プローブデバイスの成形部分は、前記生物被検体の前記身体部分に接触する、請求項1に記載のシステム。
16. 前記身体部分は、腹部、胸部、咽喉を含む頸部、腕、脚、膝関節、股関節、足関節、肘関節、肩関節、手関節、胸部、生殖器、または頭蓋を含む頭部を含む、請求項15に記載のシステム。
17. 前記生物構造は、癌性もしくは非癌性の腫瘍、内部損傷、結合組織の捻挫、組織断裂、または骨を含む、請求項15に記載のシステム。
18. 音響波形を使用して整形外科データを生成する方法であって、
    音響プローブデバイスのアレイ内の複数の音響トランスデューサ素子から、前記音響プローブデバイスが接触している生物被検体の身体部分の整形外科的構造の標的体積の方へ、音響信号を伝送するステップと、
    前記標的体積の少なくとも一部から戻る音響エコーを前記トランスデューサ素子の一つ以上で受信するステップであって、前記受信した音響エコーは、前記伝送された音響信号に対応する少なくともいくつかの波形成分を含む、受信するステップと、
    前記音響信号の前記伝送および前記音響エコーの前記受信中に前記音響プローブデバイスの前記音響トランスデューサ素子の位置を判定するステップと、
    軟組織および骨の一つまたは両方を含む前記整形外科的構造からの戻り音響エコーに対応する空間情報を生成するように、前記受信した音響エコーを処理するステップであって、前記整形外科的構造の組織と骨の境界面から戻った前記音響エコーに関連する固有の鏡面パターンデータを含むエコーサインを判定することを含む、処理するステップと、
    前記整形外科的構造からの前記空間情報に基づいて、前記音響トランスデューサ素子の前記判定した位置を使用してサンプルパターンと定量的に比較することによって、6自由度(6DoF)座標空間内の前記整形外科的構造の位置もしくは姿勢、または両方を判定するステップとを含む方法。
19. 前記整形外科的構造からの前記空間情報に基づいて、前記音響トランスデューサ素子の前記判定した位置を使用してサンプルパターンと定量的に比較することによって、6自由度(6DoF)座標空間内の前記整形外科的構造の前記骨のトポグラフィを判定するステップ
    を含む、請求項18に記載の方法。
20. 前記音響トランスデューサ素子の前記位置を判定する前記ステップは、3次元空間内の固定点に対する前記トランスデューサ素子の位置を判定することを含む、請求項18に記載の方法。
21. 前記音響信号を伝送する前記ステップは、連続して一度に一つずつ、同時に、または時間差もしくは時間遅延パターンで伝送することを含む、請求項18に記載の方法。
22. 前記受信した音響エコーを処理する前記ステップは、前記整形外科的構造の前記軟組織および前記骨からの前記空間情報に対応して前記音響エコーを増幅、フィルタリング、およびデジタルサンプリングすることと、前記空間情報をデータとして記憶することとを含む、請求項18に記載の方法。
23. 前記固有の鏡面パターンデータは、前記サンプリングされた空間情報に対する前記骨の長さにわたって横断面パターンを含む、請求項18に記載の方法。
24. 前記生成された空間情報は、前記整形外科的構造からの前記音響エコーに対応するスペクトル情報を含む、請求項18に記載の方法。
25. データセット内の前記整形外科的構造の前記位置および/または姿勢を、前記データセット内に含まれる前記情報に基づいて前記整形外科的構造上で動作または処置を実行するように動作可能な手術システムへ提供するステップ
    をさらに含む、請求項18に記載の方法。
26. 前記データセットを前記手術システムへ提供する前記ステップは、前記手術システムによる前記動作または処置中の前記生物被検体との間の前記音響信号の前記伝送および前記音響エコーの前記受信を含む前記方法の実施中に、前記データセットを前記手術処置へ実時間で伝達することを含む、請求項25に記載の方法。
27. 生物被検体の身体部分に調和するように湾曲した形状を有する支持フレーム、および前記湾曲した支持フレーム上に配置されたトランスデューサ素子のアレイを含む音響プローブであって、前記トランスデューサ素子のアレイが、前記身体部分内の整形外科的構造の標的体積の方へ音響波形を伝送し、前記整形外科的構造の前記標的体積の少なくとも一部から戻る音響エコーを受信するように動作可能である、音響プローブと、
    前記トランスデューサ素子のアレイに連結された音響結合媒体であって、前記トランスデューサ素子と、前記音響結合媒体に接触しているときの前記生物被検体の前記身体部分と、の間で前記音響波形を伝えるように動作可能な音響結合媒体と、
    前記トランスデューサ素子と通信する信号生成および処理ユニットであって、ハウジング、前記ハウジング内に配置された伝送および受信用電子機器(TRE)ユニット、および前記ハウジング内に配置されたデータ処理ユニットを含むように構築され、前記データ処理ユニットが、データを記憶するメモリおよびデータを処理するように前記メモリに接続されたプロセッサを含み、前記TREユニットが、前記データ処理ユニットと通信する波形生成器、および前記波形生成器と通信して、前記データ処理ユニットによって前記波形生成器を介して提供される波形情報に応じて一つ以上の波形を生成する一つ以上の波形合成器を含む、信号生成および処理ユニットとを備え、
    前記音響波形が、前記信号生成および処理ユニットによって生成される前記一つ以上の波形に対応し、前記戻り音響エコーが、前記伝送音響波形に対応する少なくともいくつかの波形成分を含み、
    前記データ処理ユニットが、前記戻り音響エコーを処理して、前記整形外科的構造の組織と骨の境界面から戻った前記音響エコーに関連する鏡面パターンデータを識別することによって、軟組織および骨の一つまたは両方を含む前記整形外科的構造からの前記音響エコーに対応する空間情報を生成し、前記整形外科的構造からの前記空間情報に基づいて、前記音響プローブの伝送および受信動作中に前記トランスデューサ素子の位置データを使用してサンプルパターンと定量的に比較することによって、6自由度(6DoF)座標空間内の前記整形外科的構造の位置もしくは姿勢、または両方を判定するように構成される、
    音響式整形外科的追跡デバイス。
28. 前記信号生成および処理ユニットは、前記音響プローブの前記伝送および受信動作中に前記信号生成および処理ユニットと通信して、前記音響プローブデバイスの前記トランスデューサ素子の前記位置を追跡する位置追跡デバイスから前記位置データを受信するように動作可能である、請求項27に記載のデバイス。
29. 前記データ処理ユニットは、前記身体部分の前記整形外科的構造の前記判定された前記6DoF座標空間内の位置、姿勢、または位置および姿勢を含むデータセットを生成するように動作可能である、請求項27に記載のデバイス。
30. 前記データ処理ユニットは、手術システムと通信し、前記生成したデータセットを前記手術システムへ伝達するように動作可能であり、それにより前記手術システムは、前記データセット内に含まれる前記情報に基づいて、前記整形外科的構造上で動作または処置を実行することができる、請求項29に記載のデバイス。
31. 前記音響結合媒体は、一つ以上の重合可能材料を含むヒドロゲルを含み、前記一つ以上の重合可能材料は、前記ヒドロゲル内に水性流体を閉じ込めるように構築されたネットワークを形成し、前記ヒドロゲルは、前記身体部分の外面および前記トランスデューサ素子に適合するように構築され、
    前記音響結合媒体が前記身体部分の前記外面に接触しているとき、前記音響結合媒体は、前記身体部分と前記音響信号トランスデューサ素子との間に音響インピーダンス整合を提供する、請求項27に記載のデバイス。
32. 前記TREユニットは、
    前記トランスデューサ素子のアレイによって受信した前記戻り音響エコーを、前記標的体積の少なくとも一部の情報を含む受信波形として、アナログ方式からデジタル方式に変換するアナログ-デジタル(A/D)変換器のアレイと、
    前記一つ以上の波形合成器と通信して、伝送のために前記音響プローブに提供された前記波形を修正する一つ以上の増幅器と、
    前記音響プローブおよび前記A/D変換器のアレイと通信して、前記A/D変換器に提供された前記戻り音響エコーを修正する一つ以上の前置増幅器とを含む、請求項27に記載のデバイス。
33. 前記音響プローブは、前記信号生成および処理ユニットの前記TREユニットに接続可能な信号インターフェースモジュールを含み、前記信号インターフェースモジュールは、前記トランスデューサ素子のアレイと通信して、前記波形を前記対応する音響波形に変換する前記アレイの一つ以上の変換素子を選択し、前記戻り音響エコーを受信する前記アレイの一つ以上の変換素子を選択する多重化ユニットを含む、請求項27に記載のデバイス。
34. 前記信号生成および処理ユニットは、任意の波形を生成するように動作可能であり、前記任意の波形は、数学的に記述可能な任意の波形を含む、請求項27に記載のデバイス。
35. 前記任意の波形は、矩形パルス、三角パルス、衝撃パルス、ガウス形パルス、正弦波パルス、シンクパルス、メキシコ帽型ウェーブレットパルス、ハールウェーブレットパルス、線形FMチャープパルス、双曲線FMチャープパルス、コード化パルス、2進コード化パルス、3進コード化パルス、位相コード化パルス、相補2進コード化パルス、振幅コード化パルス、位相および振幅コード化パルス、周波数コード化パルス、ステップ正弦波パルス、成形スペクトルパルス、またはこれらの組合せの一つ以上を含む、請求項34に記載のデバイス。
36. 前記信号生成および処理ユニットは、前記任意の波形をビーム形成およびステアリングするように動作可能である、請求項34に記載のデバイス。
37. 前記信号生成および処理ユニットが、前記波形情報に応じて前記一つ以上の波形合成器によって生成された一つ以上の周波数帯域に対応する個別直交コード化波形の二つ以上を備える合成波形を生成するように動作可能であり、前記個別直交コード化波形は、互いに相互に直交し、異なる周波数帯域に対応し、それにより前記各個別直交コード化波形は、対応する位相を有する固有の周波数を含む、請求項27に記載のデバイス。
38. 前記各個別直交コード化波形は、それぞれ個別に振幅加重および個別に位相加重された複数の振幅および複数の位相を含む、請求項37に記載のデバイス。
39. 前記信号生成および処理ユニットは、各個別直交コード化波形の周波数帯域、振幅、時間帯域幅積パラメータ、および位相パラメータを判定するように動作可能である、請求項37に記載のデバイス。
40. 前記位相パラメータは、1組の擬似乱数または1組の決定論的数から判定される、請求項39に記載のデバイス。

Images